Brevet FR2744050A1 — publié le 19970801

DISPOSITIF DE GUIDAGE EN TRANSLATION DE HAUTE PRECISION DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne les machines comportant des parties mobiles par rapport à un bâti, telles que les machines d'usinage, d'assemblage, de contrôle, etc. Elle concerne, en particulier, le guidage des chariots, traînards, porte-outils, tables de fixation ou têtes de broche de fraiseuses, d'aléseuses ou de centres d'usinage, c'est-à-dire de toutes les parties mobiles d'une machine-outil qui doivent se déplacer lentement avec grande précision, tout en devant supporter éventuellement des contraintes mécaniques importantes. Art antérieur et problème posé Dans le cadre de la construction de machines modernes d' usinage, d'assemblage, de contrôle, il s'avère nécessaire d'utiliser de plus en plus des systèmes de guidage de haute précision pour les structures mobiles de ces machines. Dans le domaine des guidages en translation ou linéaires, on connaît plusieurs technologies qui sont en résumé les suivantes - Les paliers à friction dont le phénomène de "stick-slip", c'est-à-dire broutage, rencontrés aux faibles vitesses de déplacement, limite la précision de positionnement - les paliers aérostatiques et hydrostatiques très performants, mais qui s'avèrent des solutions coûteuses, délicates a mettre en oeuvre et relativement fragiles, en particulier en ce qui concerne les paliers aérostatiques - les paliers sur roulements qui sont des moyens ne présentant pas les inconvénients cités ci-dessus. Dans cette dernière catégorie, on considère, en particulier, les systèmes à cage d'éléments roulants entre deux rails solidaires des parties fixes et mobiles du guidage. On entend par "éléments roulants", des billes, rouleaux ou aiguilles. On connaît aussi dans cette catégorie, des systèmes à patins fonctionnant avec une recirculation de billes ou rouleaux entre le patin et le rail de guidage. Dans ces deux derniers cas, et surtout pour les systèmes à patins, les performances obtenues avec les montages utilisés de manière standard par les fabricants de roulements, sont limitées, pour des courses de 200 mm environ, à des défauts parasites des guidages, qui sont de l'ordre de 1 à 2 um en rectitude horizontale ou verticale et 1 à 2 secondes d'arc en lacet, roulis ou tangage. Ceci se concrétise, par exemple, dans le domaine du tournage, sur un tour classique, par une tolérance de fabrication théorique de plus ou moins 5 um, pouvant être obtenue sur une série de plusieurs pièces, quand les opérations d'usinage se déroulent normalement et sans tenir compte des réglages et de l'usure de l'outil. En tenant compte de ces deux derniers paramètres, la fourchette de plus ou moins 5 um est bien souvent dépassée. De ce fait, les tolérances de fabrication se trouvent être plus importantes. Le but de l'invention est donc de remédier à ces inconvénients en présentant un système de guidage en translation de haute précision de conception différente. Résumé de l'invention L'objet principal de l'invention est un dispositif de guidage en translation de haute précision d'une partie de machine, le dispositif utilisant des éléments roulants entre des pistes de roulements disposées latéralement en V et, en regard les unes des autres, à la fois sur la partie mobile et sur la partie fixe de la machine, pour former des paliers en translation. Selon l'invention, le dispositif comprend deux glissières parallèles et écartées l'une de l'autre et comportant chacune - un rail solidaire d'une des parties et ayant deux faces latérales constituées chacune de deux pistes de roulements disposées en V - une cage de roulements solidaire de l'autre partie, ayant deux faces latérales internes constituées chacune de deux pistes de roulements disposées en V et parallèles aux pistes de roulements du rail qui leur font face ; et - les éléments roulants qui sont constitués d'éléments cylindriques placés en grand nombre entre les huit pistes de chacune des deux glissières. Dans sa réalisation préférentielle, les éléments cylindriques roulants sont des aiguilles groupées dans des cages dépassantes à aiguilles. De préférence, les deux branches de chaque V sont orientées symétriquement par rapport à un plan horizontal. Le dispositif se complète avantageusement d'un système de serrage des glissières pour précharger de manière contrôlée les éléments roulants. Dans sa réalisation préférentielle, chaque cage de roulements est constituée de deux pièces concaves de roulement placées chacune contre une paroi latérale interne d'une cavité de la pièce mobile. De même, les deux faces latérales de chaque rail sont constituées de préférence d'une pièce convexe de roulement placée contre une surface interne du rail. Liste des figures L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, accompagnée de trois figures représentant respectivement: - figure 1, en coupe, le schéma d'une structure d'un dispositif selon l'art antérieur - figure 2, en coupe, le schéma d'un dispositif selon l'invention ; et - figure 3, en vue cavalière, le dispositif selon l'invention. Description détaillée d'un mode de réalisation Sur la figure 1, est représentée en coupe, une partie fixe 1 du dispositif selon l'invention. Cette partie fixe peut être une partie horizontale ou verticale du bâti de la machine équipée de ce dispositif. De même, est représentée en coupe, une partie mobile 2 du dispositif selon l'invention, en l'occurrence la table d'une machine-outil sur laquelle est fixée une pièce à fraiser, le socle d'un chariot ou d'un traînard de tour, etc. Ces deux parties sont équipées chacune de deux pièces de roulement respectives, des pièces convexes de roulement 3 pour la pièce fixe et des pièces concaves de roulement 4 pour la pièce mobile, ces dernières constituant une sorte de cage de roulement. Ces pièces sont associées par paire de manière à se faire face l'une par rapport à l'autre. Ainsi, sur les faces latérales 5 d'une partie sommitale 10 constituant un rail de la partie fixe 1 est placée une pièce convexe de roulements 3. Cette pièce possède deux pistes de roulements inclinées l'une par rapport à l'autre pour former un V. On note que, de préférence, le V est souvent symétrique par rapport à un plan horizontal médiant. En correspondance, chacune des deux pièces concaves de roulement 4 est fixée dans une contre une surface latérale interne 6 de la pièce mobile 2 et débouchant à l'intérieur d'une cavité 7 de celle-ci. Chaque pièce concave de roulement 6 possède deux pistes de roulement inclinées en V, de manière correspondante aux deux pistes de roulement des deux pièces convexes de roulement 3. Chaque piste de roulement est donc parallèle à une piste de roulement qui lui fait face. En plaçant des rouleaux ou des aiguilles à l'intérieur de l'espace défini par deux pistes de roulement se faisant face, on crée ainsi une glissière permettant à la partie mobile 2 de se déplacer par rapport à la partie fixe sans frottement apparent. En référence à la figure 2, le dispositif selon l'invention comprend également une partie fixe 11 et une partie mobile 12. Le mouvement s'effectue grâce à deux ensembles de technologie similaire à celle utilisée pour le dispositif de la figure 1. Par contre, on utilise deux ensembles de glissements, c'est-à-dire des glissières placées parallèlement l'une par rapport à l'autre dans un positionnement relativement écarté. De ce fait, chaque glissière comprend chacune deux pièces convexes de roulement 13 fixées de manière latérale sur un rail 16 de la pièce fixe 11. Chaque glissière possède également une cage de roulement constituée de deux pièces concaves de roulement 14 placées latéralement à l'intérieur d'une cavité 17 de la pièce mobile 12. Des pistes de roulement sont prévues sur les faces se trouvant en vis-à-vis, en V, sur chacune de ces pièces de roulement. On comprend que les mouvements parasites infimes de la pièce mobile 2 de la figure 1 par rapport à sa pièce fixe 1, notamment en lacet, sont amplifiés par la dimension de la pièce mobile 2 par rapport à l'écartement des deux paires de pistes de roulements en V d'un côté et de l'autre du rail 6. Cette amplification ne peut avoir lieu avec un dispositif selon l'invention, qui possède deux glissières parallèles de roulements. En effet, ce mouvement de rotation en lacet théorique dû à d'infimes jeux d'une glissière est empêché par la présence de la deuxième glissière interdisant ce type de mouvement. L'écartement des deux glissières doit donc être relativement important, c'est-à-dire occuper une partie de la largeur de l'ensemble de glissement ou de guidage que constitue l'assemblage de la pièce 11 et de la pièce mobile 12. On définit, à cette occasion, un rapport de guidage qui est le rapport de la longueur L de la glissière sur l'écartement l des deux glissières. La figure 3 permet de montrer, en vue cavalière, le dispositif selon l'invention. On a fait figurer les rails 16 de la pièce fixe 11 dépassant en longueur pour figurer les rouleaux 18 montés dans des cages de roulements à rouleaux ou à aiguilles. Les cages 19 sont inclinées en V avec la même inclinaison que les pistes de roulements repérées 20. Il est préférable d'utiliser des ensembles de cages dépassantes à aiguilles, c'est-à-dire possédant un nombre d'aiguilles tel que ces cages d'aiguilles ont une longueur plus importante que la longueur de la partie mobile 12, dans le sens du coulissement. De cette façon, la partie mobile 12 repose toujours, sur toute sa longueur et quelque soit sa position, sur un nombre maximal d'aiguilles 18. On a figuré des vis de réglage 21 sur la paroi latérale externe 22 de la partie mobile 12, dont le but de symboliser un dispositif de serrage destiné à précharger chaque glissière et, plus particulièrement, à précharger les aiguilles 18. Ainsi, on rattrape par serrage le jeu latéral éventuel existant dans l'ensemble de chaque glissière, et on minimise de façon optimale les jeux entre les différents éléments mobiles, les uns par rapport aux autres. Il s'ensuit que la précision du dispositif de guidage en est améliorée. En fait, le dispositif selon l'invention possède un degré de précision très élevé par la multiplicité des pistes de roulements 20, c'est-à-dire huit paires de pistes de roulement disposées en V. Ceci permet également de moyenner d'éventuels défauts. En utilisant un programme de calcul électronique, il est possible de dimensionner ou de modéliser par éléments finis, chaque pièce. Ainsi, pour une course de 150 mm obtenue, grâce à un prototype, on a pu relever au moyen d'un interféromètre laser des défauts parasites inférieurs au micromètre (plus petit que 0,4 Wm en rectitude et plus petit que 0,3 seconde d'arc en lacet et en tangage) . Ces tolérances répondent parfaitement aux spécifications attendues dans la conception de ce type de dispositif de guidage pour les applications prévues, notamment pour l'usinage à très haute précision. Le mouvement obtenu est un mouvement relativement lent de la partie mobile, exempt de saccades, compatible avec des vitesses de déplacement très faibles et des précisions de positionnement de quelques centièmes de micromètre, telles qu'on est en droit de les attendre dans le cadre de l'usinage de haute précision de pièces mécaniques. Les glissières ou les éléments de glissières utilisés dans le dispositif selon l'invention sont connus et commercialisés. En conséquence, la réalisation d'un tel dispositif n'est pas d'un coût très onéreux. On peut préciser que ce type de dispositif peut être utilisé pour l'usinage traditionnel par machine-outil ou dans le cadre de techniques de précision de très haut niveau. REVENDICATIONS 1. Dispositif de guidage en translation de haute précision d'une partie de machine, utilisant des éléments roulants (18) entre des pistes de roulement (20) disposées latéralement en V et en regard les unes des autres deux par deux, à la fois sur une partie mobile (12) et une partie fixe (11) de la machine, pour former des paliers en translation, caractérisé en ce qu'il comprend deux glissières parallèles et écartées l'une de l'autre et comportant chacune - un rail (16) solidaire d'une des parties (11) ayant deux faces latérales constituées chacune de deux pistes de roulement (20) disposées en V - une cage de roulements (i4), solidaire de l'autre partie (12) ayant deux faces latérales internes constituées chacune de deux pistes de roulements (20) disposées en V et parallèles chacune à une piste de roulements (20) du rail qui leur font face ; et - les éléments roulants (18) qui sont constitués d'éléments cylindriques placés en grand nombre entre les huit pistes de roulements (20) des deux glissières. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments cylindriques roulants (18) sont des aiguilles groupées dans des cages dépassantes à aiguilles. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les inclinaisons des pistes de roulement (20) en V sont symétriques par rapport à un plan horizontal. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un système de serrage (21) des glissières pour précharger de manière contrôlée les éléments roulants (18). 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque cage de roulements est constituée de deux pièces concaves de roulement (14) placées chacune contre une paroi latérale interne (16) d'une cavité (17) de la pièce mobile. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux faces latérales de chaque rail (10) sont constituées d'une pièce convexe de roulement (13) placée contre une surface interne (15) du rail (10).