Brevet FR2731749A1 — publié le 19960920

L'invention concerne un servomoteur pour une application préférentielle mais non limitative à la construction de bras manipulateurs à axes de rotation multiples. Aucun servomoteur hydraulique actuel ne donne satisfaction dans cette application préférentielle, leurs inconvénients sont notamment leur poids, leur encombrement, la distribution rapp( > rtée à la base de la chaîne articulée, et la tuyauterie reliant la distribution aux servomoteurs, d'autre part les tuyaux souples se raidissent sous l'effet de la pression. Les motoréducteurs électriques développent des couples nettement inférieurs et nécessitent des freins pour éviter l'effondrement de la chaire articulée. L'invention vise à pallier ces inconvénients. Pour l'application préférentielle précitée, un but de l'invention est de proposer un servomoteur répondant aux critères ci-après: - manipulation d'une masse de 10 kg au bout de la chaîne articulée déployée avec un rayon d'action de un mètre, - la masse du bras sans la centrale hydraulique ne doit pas dépasser 20 kgs, - le servomoteur doit être un module complet intégrant le système de transmission de puissance, la distribution, les capteurs et la connectique, - la connection entre les modules doit s'effectuer rapidement, - pour une intervention, I'accessibilité à tous les composants doit être excellente. - le servomoteur doit garantir le maintien en position sans frein, - en cas de nécessité: panne, dégagement, sécurité, une vanne doit permettre la mise en communication des chambres haute et basse pression. La composition du servomoteur doit permettre toutes les associations possibles: montage en ligne, selon un angle quelconque pour obtenir des chaînes articulées ouvertes ou fermées. Un autre but de l'invention est de proposer un servomoteur polyvalent permettant de nombreuses autres applications, dans ce but: - le servomoteur doit encore être utilisé à d'autres fins, comme la commande de vannes, de portes, le remplacement de systèmes associant des vérins linéaires, des crémaillères et des pignons, il doit pouvoir être utilisé dans des milieux hostiles et agressifs, voire déflagrants moyennant une protection spéciale des systèmes électriques de commande de distributeur et de pnse d'informations, - les éléments reliant les servomoteurs de la chaîne articulée entre eux doivent être standards, - pour favoriser la sécurité et l'esthétique ni protubérance, ni tuyau, ni câble, ni pièce ou composants ne doivent dépasser de l'enveloppe cylindrique fixée selon le modèle, - la commande en position et en vitesse doivent être simples, - la conception doit être identique quelle que soit la taille du servomoteur, - pour l'application proposée, le couple développé par le servomoteur est de 150 Nm pour une pression du fluide hydraulique de 70 bars. Cette pression peut être plus importante pour d'autres applications. Un autre but de l'invention est de prévoir une construction particulière permettant de calculer de façon simple les dimensions des pièces en fonction de la puissance désirée, ainsi qu'une nouvelle conception de la distribution devant permettre une parfaite maîtrise de la loi du débit donc de la vitesse de rotation du servomoteur. L'idée inventive, pour atteindre ce but, a consisté à aller à l'encontre des habitudes de l'homme de métier et à réaliser des orifices de distribution rectangulaires ou carrés. Tous ces objectifs sont atteints grâce à l'invention qui consiste en un servomoteur du type comportant un ensemble transmetteur de puissance comprenant principalement un corps cylindrique, au moins un flasque mobile, un flasque fixe, un distributeur rotatif, caractérisé en ce que le distributeur rotatif comporte une pièce assurant les fonctions de corps de distributeur et d'axe du servomoteur et un rotor de distribution, le ou les flasques mobiles évoluant dans un volume annulaire formé entre le corps du distributeur et le corps du servomoteur, et caractérisé en ce que les orifices ou rainures de distribution, prévus dans le rotor, présentent une section carrée ou rectangulaire pour mettre en communication les chambres du volume annulaire avec les canaux (HP et BP) du corps disposés parallèlement à l'axe du servomoteur. On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description qui suit faite en référence aux figures annexées suivantes: - Figure 1 : vue en coupe longitudinale d'un servomoteur selon l'invention, coupe réalisée selon les flèches AA de la figure 2, - Figure 2: vue de gauche du servomoteur selon l'invention sans moteur, - Figure 3: vue de droite du même servomoteur avec l'équerre de fixation du capteur de position, Figure 4: vue en coupe selon BB de la figure 1, - Figure 5: vue d'ensemble en perspective d'un flasque intermédiaire utilisé dans le servomoteur pour augmenter le couple et les débattements angulaires en les montant en série, Figure 6: vue de dessus du flasque de la figure S, - Figure 7: vue de obté du flasque de la figure S, - Figure 8: détail du flasque de la figure 5 selon section MM, - Figure 9: détail selon section NN présentant les canaux reliant les chambres des différents étages, - Figure 10 : détail d'une variante de distributeur pouvant remplacer celui de la figure 1, -Figure 11: section KK de la figure 10, - Figure 12: section LL de la figure 10, - Figure 13: détail du montage de brides sur le flasque fixe du servomoteur selon section CC de la figure 2, - Figure 14: détail de la liaison entre accoupleur et joint rotatif selon section HH de la figure 1. - Figure 15: conception d'articulation en ligne, - Figure 16: conception d'articulation en coude, - Figure 17: détail de la vanne de mise en communication des chambres haute et basse pression, - Figure 18: première exécution du système de communication de la vanne en coupe selon EE de la figure 17, - Figure 19: deuxième exécution du système de communication de la vanne en coupe selon EE de la figure 17, - Figure 20: deuxième exécution de la bride d'arrêt axial de la vanne, - Figure 21 : section selon GG de la figure 4 montrant la section des orifices carés du distributeur, - Figure 22: section selon DD de la figure 4, - Figure 23: section selon FF de la figure 4, - Figure 24: vue en coupe longitudinale d'une variante de distributeur et de joint rotatif pour hautes pressions, - Figure 25: vue en perspective d'un servomoteur selon l'invention utilisé comme préhenseur, - Figure 26: vue en coupe horizontale du servomoteur de la figure 25, - Figure 27: détail selon JJ montrant la patte de fixation d'un codeur. Un servomoteur selon l'invention est constitué de quatre éléments principaux: - un ensemble transmetteur de puissance comprenant principalement un corps cylindrique (1), un flasque mobile (3) solidaire de sabots mobiles (12), un flasque fixe (2) solidaire de sabots fixes ( (11). Toutes ces pièces peuvent être réalisées en acier, - un distributeur rotatif dont la pièce (5) (par exemple en acier) assure deux fonctions de corps du distributeur et d'axe du servomoteur, et dont le rotor (4) assure la fonction de distributeur. Les flasques mobiles évoluent dans un volume annulaire (21) formé entre le corps du distributeur (5) et le corps du servomoteur ( 1). Le mouvement du distributeur peut être assuré par un moteur pas à pas ou un petit actionneur de type palette permettant une utilisation dans les milieux déflagrants, - un joint rotatif (6) par exemple en bronze est également situé dans l'axe du servomoteur et dans le prolongement du distributeur, sa fonction consiste à ne pas faire subir aux tuyaux haute pression (HP) et basse pression (BP) des flexions dues aux mouvements relatifs d'une articulation par rapport à l'autre. Cette conception présente les avantages de ne pas fatiguer les tuyaux et de ne pas pénaliser le couple moteur par la rigidité du tuyau haute pression (HP). On prévoit de préférence des raccords rapides pour permettre une connection instantanée et faciliter le montage et la maintenance. - un système de sécurité (37) ou système de bipass (figure 17) réalisé dans le sabot fixe (11) par exemple par une vanne ou par une vis pointeau ou à téton, permet de relier les chambres haute et basse pression, en cas de nécessité, par exemple pour pouvoir replier le bras dans l'application du bras manipulateur. L'alimentation peut être coupée à l'aide d'une vanne au niveau de la centrale. Le servomoteur comporte encore une gaine de protection (7), par exemple en aluminium, matière composite ou plastique, un accoupleur par exemple en acier ayant pour fonction de recevoir le segment suivant de la structure tel qu'un élément de bras manipulateur, une bride circulaire (9) par exemple en aluminium, une pluralité de joints circulaires (lOa,lOb...) réalisant l'étanchéité statique, un roulement (13) à deux rangées de billes, une bride d'arrêt (14) du corps (5) du distributeur, des vis d'assemblage (20), une bride (29) pour la fixation d'un capteur de position. Une particularité du servomoteur selon l'invention réside dans la forme spéciale des orifices de distribution (15) dont la section carrée ou rectangulaire (voir figure 21) permet une commande précise en vitesse. En effet lorsqu'un orifice (15) (HP ou BP) s'ouvre sur une chambre du volume (21), la variation de la section de passage de fluide est linéaire ce qui n'est pas le cas avec des sections circulaires de l'art antérieur. Deux variantes de réalisation du rotor de distribution (4) sont possibles : avec des rainures (15) parallèles à l'axe (figures 1 à 4) ou des rainures (15') perpendiculaires à l'axe du servomoteur (figures 10 à 12). On décrit à présent le fonctionnement du servomoteur. Le servomoteur est un élément complet de transmission de puissance intégrant les fonctions de distribution, de joint rotatif et de prises d'informations. Il peut se monter en série ou en parallèle pour former des architectures quelconques à plusieurs degrés de liberty Les circuits haute et basse pression (HP-BP) traversent le corps (5) du distributeur dans des canaux (22,23) parallèles à l'axe. Le distributeur forme également l'axe du servomoteur autour duquel tournent un ou plusieurs sabots mobiles (12) pour transmettre la puissance. Dans ce corps (5) se trouvent le rotor (4) de distribution et le joint rotatif (6). Selon le milieu et l'application, le rotor sera manoeuvré par un moteur pas à pas (16), un système mécanique ou un petit actionneur hydraulique de type palette utilisé en milieu déflagrant. La forme rectangulaire des orifices de distribution (15) permet une excellente maîtrise de la vitesse et la proportionnalité de celle-ci en fonction de l'ouverture des orifices. Le couple est réglé par la pression du fluide régulée au niveau de la centrale hydraulique. Une rotation du rotor de distribution (4) dans le sens trigométrique fait tourner l'actionneur dans le même sens (34), une rotation inverse du rotor entume un mouvement inverse (35). Deux formes de rotors de distribution sont proposées selon le positionnement des rainures (15), la fonction assurée est rigoureusement la même, seuls les usinages sont différents. Les tuyaux d'alimentation (24,25) peuvent, suivant l'architecture souhaitée, entrer axialement (non représenté) ou radialement (voir figure 1) dans le corps du distributeur (5). La même remarque est valable pour les tuyaux sortants (26,27) du joint rotatif (6). Le corps du distributeur (5) est arrêté axialement et en rotation par deux brides ( 14) fixées sur le flasque fixe (2) (voir figure 13). Le joint rotatif (6) est lié à l'accoupleur (8) par deux méplats plus un arrêt axial (voir figure 14). Les circuits (BP et HP) traversent ce joint rotatif (6) pour alimenter le servomoteur suivant. Ils sont bouchés à l'aide de deux vis sur le servomoteur extrême. Un petit trou (36) percé dans le canal (BP) du joint rotatif permet le retour des fuites. La prise d'informations "Position et Vitesse" s'effectue grâce à un pignon en plastique (28) monté sur le flasque mobile ou l'accoupleur (8). Ce pignon transmet le mouvement à des capteurs. Les figures 15 et 16 montrent à titre d'exemples non limitatifs une chaise articulée comportant un servomoteur (1) et un codeur de prise de position (32) accouplé entre un segment amont (30) et un segment aval (31) selon une conception en ligne et une conception en coude. Selon l'implantation de l'actionneur dans la chaîne articulée ou sur le récepteur, le moteur (16) actionnant le rotor de distribution et actionnant les capteurs peuvent être placés de part et d'autre des flasques fixe et mobile (figure 15) ou sur la périphérie (figure 16). Dans ce dernier cas, les transmissions sont réalisées par des courroies synchrones (33). La transmission de la puissance est faite par l'accoupleur. L'accouplement est réalisé: - pour les couples moyens, petits servomoteurs, par un centrage, des vis de fixation et un plot contre le cisaillement, - pour les grands couples, gros servomoteurs, par un système en vé et des vis de fixation. Le servomoteur selon l'invention est également utilisable pour les hautes pressions (voir figure 24), allant jusqu'à 350 bars permettant ainsi de développer des couples cinq fois plus grands qu'avec une pression de 70 bars. Pour cette variante de réalisation pour hautes pressions on apporte les modifications suivantes: - suppression de l'épaulement intérieur du corps du distributeur (5) et remplacement par un alésage unique permettant de très faibles tolérances dimensionnelles de concentricité et de coaxialité lors de la fabrication, - usinage du rotor de distribution (4) et du joint rotatif (6) (cette fois en acier) et leur rectification avant de les séparer favorise également les faibles tolérances mentionnées ci-dessus, - préchargement d'une butée à bille (39) à l'aide du flasque butée et support de moteur pas à pas (38) qui maintient le contact entre le rotor de distribution (4) et le joint rotatif (6).Ce maintien élimine l'action axiale du fluide sur le rotor de distribution, génératrice de couple passif dû au frottement, - limitation du débattement angulaire à une valeur comprise entre 270 et 300e pour assurer à ces hautes pressions une excellente étanchéité entre les chambres haute et basse pression du servomoteur. Selon une autre variante de réalisation représentée sur les figures 25 et 26, le servomoteur peut être utilisé comme préhenseur. Pour cette utilisation, on remplace le flasque mobile d'extrémité (8) par un autre flasque mobile (8a) dans lequel sont tracé deux ou plusieurs cames dans lesquelles se déplacent les têtes (44) de deux (ou plusieurs) doigts préhenseurs (40) de type connu. Les doigts (40) sont articulés par des axes (42) sur leurs supports respectifs (41) fixés sur la bride circulaire (9). La forme et les dimensions des cames (43) sont choisies en fonction des caractéristiques des doigts employés. La sécurité, en cas de panne pour le dégagement des doigts est toujours assurée par la vanne (37). Les autres pièces sont inchangées. Les avantages du servomoteur selon l'invention sont nombreux et sont notamment les suivants: - Actionneur compact intégrant les fonctions distribution et de prise d'informations. - Transmission et maintien d'un grand couple. - Sécurité assurée, grâce au bipassage des chambres permettant de replier le système articulé. - Fuites limitées au niveau de la distribution et du joint rotatif. Les circuits "haute pression" se trouvent au centre du servomoteur, et les circuits "basse pression" aux extrémités, servant ainsi de retour de fuites. Un joint supplémentaire peut, pour les hautes pressions, être installé entre le corps du distributeur (5) et le flasque mobile (8) d'extrémité. - Grâce à la forme rectangulaire des orifices de distribution, I'alimentation des chambres et le débit varient linéairement, ce qui n'est pas le cas pour les orifices circulaires. L'asservissement en sera simplifié pour la commande en vitesse. - Le servomoteur forme un module complet qui peut être utilisé pour réaliser des chaînes articulées quelconques des entraînements ou des manoeuvres associant, vérin linéaire, crémaillère, pignon. - Le débattement angulaire et les couples peuvent être augmentés par l'interposition de flasques intermédiaires (17) munis de sabots (18). Des perçages obliques (19) sur ces flasques permettent l'alimentation des diverses chambres en série haute et basse pression (voir figures 5 à 9). - Dans son exécution standard, le servomoteur comporte un sabot fixe et un sabot mobile, le couple transmis peut être multiplié en installant deux, voire trois sabots fixes et mobiles, le débattement angulaire sera diminué d'autant, ou il faudra interposer des flasques intermédiaires pour garder le même débattement. Avec deux, ou plus, de sabots fixes et mobiles, I'axe de distribution sera équilibré radialement. - Accessibilité à toutes les pièces pour la maintenance ou le remplacement des éléments. - Intégration de la connectique et des capteurs (de tout type). - Pour l'utilisation du servomoteur dans un milieu déflagrant, le distributeur sera actionné hydrauliquement, le capteur de position angulaire pourra également donner une information analogique, hydraulique ou pneumatique. Les tuyaux hydrauliques pour la manoeuvre du rotor du distributeur et ceux pour les capteurs sont de faible diamètre, ils véhiculent peu de fluide, à faible pression.Toutefois, si les matériels de commande de distribution et de prise d'informations utilisent l'énergie électrique même de faible tension (12 V) et intensite, ils pourront être protégés ou surmoulés pour éviter qu'ils ne soient générateurs de déflagration, - Grâce aux raccords rapides et à une connectique embrochable, la réalisation de chaînes articulées quelconques se fait très rapidement Des éléments standards, par exemple des tubes, peuvent relier les servomoteurs. Le remplacement d'un élément défectueux se fait également très rapidement, limitant ainsi le temps d'intervention. - Un système de purge peut être installé sur chaque servomoteur, il est utile au remplissage et à la vidange du fluide. - La conception du servomoteur est identique quelle que soit sa taille, le changement d'échelle et donc la puissance désirée se font par homothétie. - Les pièces constituant le servomoteur peuvent être réalisées dans d'autres matériaux permettant de résister à des produits agressifs, corrosifs ou dangereux. - Sur le servomoteur extrême de la chaîne articulée, peut être installé, soit un outil, soit un préhenseur à deux ou plusieurs doigts rigides ou à structure souple de type caoutchouc alvéolé pour former des doigts enveloppants pour la manipulation de pièces fragiles et de formes quelconques. La transmission de la puissance peut être séparée ou utiliser le fluide hydraulique haute et basse pression qui traverse tous les servomoteurs. L'invention s'applique préférentiellement mais non limitativement à la construction de bras manipulateurs pour handicapés, pour le nucléaire ou autre... L'invention peut également être utilisée pour d'autres applications comme par exemple: - Conception de chaînes articulées quelconques à boucle ouverte ou fermée et de robots. - Servomoteur pour vannes de fluide, de régulation de combustible ou de comburant. - Remplacement de l'ensemble "vérin linéaire-crémaillère-pignon", le servomoteur assure la même fonction. - Rotations alternatives pour mélangeurs. - Commande de volets en aéronautique. - Orientation de déflecteurs pour l'air, pour l'eau (souffleries, réglage de convergents-divergents). - orienteur de roues d'engins mobiles (direction). - orienteur pour montage d' usinage et de soudure. - Réalisation compacte de rotule. - Commande de plate-forme de chargement - Réalisation de tire-forts et de treuils. Cette liste n'est pas exhaustive. Le servomoteur peut être utilisé dans tous les cas ou le couple transmis ou maintenu est important et lorsque la vitesse doit être parfaitement maîtrisée. Le servomoteur ne nécessite aucun frein pour le maintien en position. Son mouvement, grâce au système de bipass, peut être rendu fou en cas de nécessité pour replier la chaîne ou libérer l'action exercée. REVENDICATIONS 1. Servomoteur du type comportant un ensemble transmetteur de puissance comprenant principalement un corps cylindrique (1), au moins un flasque mobile (3), un flasque fixe (2), un distributeur rotatif, caractérisé en ce que le distributeur rotatif comporte une pièce (5) assurant les fonctions de corps du distributeur et d'axe du servomoteur et un rotor (4) de distribution, le ou les flasques mobiles évoluant dans un volume annulaire (21) formé entre le corps du distributeur (5) et le corps du servomoteur (1), et caractérisé en ce que les orifices ou rainures de distribution (15), prévus dans le rotor (4), présentent une section carrée ou rectangulaire pour mettre en communication les chambres du volume (21) avec les canaux (HP et BP) (22,23) du corps (5) disposés parallèlement à l'axe du servomoteur. 2. Servomoteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les orifices ou rainures (15) de distribution sont disposés parallèlement à l'axe du servomoteur. 3. Servomoteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les orifices ou rainures (15) de distribution sont disposés perpendiculairement à l'axe du servomoteur. 4. Servomoteur selon l'une des revendications 1 à3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un flasque intermédiaire (17) muni de sabots (18). 5. Servomoteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les sabots (18) comportent des perçages obliques (19) de passage de fluide. 6. Servomoteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un joint rotatif (6) situé dans l'axe du servomoteur, dans le prolongement du distributeur. 7. Servomoteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le joint rotatif (6) est traversé par des canaux BP et HP et comporte un trou (36) percé dans le canal BP pour le retour des fuites. 8. Servomoteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un élément de prise d'informations (position-vitesse). 9. Servomoteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un système de sécurité (37) dans le sabot fixe (1 11). 10. Servomoteur selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un alésage unique pour le rotor de distribution et le joint rotatif et en ce qu'il comporte une micro butée à billes (39) préchargée par le support de moteur (38). 11. Servomoteur selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le flasque mobile d'extrémité (8a) comporte une pluralité de cames de guidage pour les têtes (44) de doigts préhenseurs (40). 12. Chaîne articulée formée par accouplement d'une pluralité de servomoteurs, caractérisée en ce que les servomoteurs qui la constituent sont des servomoteurs selon l'une au moins des revendications 1 à 11. 13. Chape articulée selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un servomoteur (1), un moteur (16) d'actionnement du rotor, un codeur de position (32) accouplés entre un segment amont (30) et un segment aval (31) selon une conception en ligne. 14. Chape articulée selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un servomoteur (1) accouplé entre un segment amont (30) et un segment aval (31) selon une conception en coude, et des courroies synchrones (33) de transmission du mouvement au moteur (16) et au capteur (32) placés sur la périphérie.