Brevet FR2752280A1 — publié le 19980213

L'invention a trait à un réducteur comprenant une roue dentée et une vis sans fin, et à une articulation de robot munie d'un tel réducteur. Les réducteurs à roue dentée et vis sans fin sont connus pour la précision de la transmission du mouvement de rotation qu'ils permettent entre un arbre menant et un arbre mené. Or, il arrive que l'arbre mené soit soumis à un couple qui dépend de son environnement extérieur. Ainsi, par exemple, lorsque le réducteur à roue dentée et vis sans fin est utilisé dans l'articulation d'un robot multi-axes, et en particulier au niveau du poignet d'un tel robot, un outil est monté sur un support cinématiquement lié à la roue dentée du réducteur. La réaction d'un objet sur l'outil induit sur le support d'outil un couple par rapport à l'axe de rotation de la roue dentée. Ce couple peut être important, en particulier en cas de fausse manoeuvre du robot et peut entraîner la destruction de l'articulation de celui-ci. L'invention vise à fournir un réducteur apte à résister à un couple exercé sur une roue entraînée par une vis sans fin et à permettre la détection de ce couple et la réversibilité du réducteur. Dans cet esprit, l'invention concerne un réducteur comprenant une roue dentée et une vis sans fin, caractérisé en ce que ladite vis sans fin est montée en porte-à-faux en contact avec ladite roue dentée et en ce que l'angle de denture de ladite roue dentée est tel qu'une normale au point de contact à la face, orientée vers un point d'encastrement de ladite vis sans fin, d'une dent de ladite roue dentée, en contact avec le filet de ladite vis sans fin, intersecte l'axe de rotation de ladite vis sans fin entre le point d'intersection dudit axe de rotation avec une droite passant par le centre de ladite roue dentée et ledit point de contact, d'une part et ledit point d'encastrement, d'autre part. Grâce à l'invention, le montage en porte-à-faux de la vis sans fin par rapport à la roue dentée est mis à profit pour permettre l'absorption et la détection d'un couple exercé sur la roue dentée sans que ce couple ne risque de détruire le réducteur. La géométrie de la denture de la roue dentée est telle que l'effort transmis par la roue dentée à la vis sans fin conduit à la flexion ou au pivotement de la vis sans fin sans danger d'arcboutement, alors qu'un arcboutement aurait pour conséquence le blocage de la vis sans fin et sa destruction. Selon un aspect avantageux de l'invention, la valeur de l'angle de denture de la roue dentée, sur la face des dents orientées vers le point le point d'encastrement, est supérieur à un angle a0 défini par dl a0 = arctg ------ d2 où d1 est la distance entre le point de contact et l'axe de rotation de la vis sans fin et où d2 est la distance entre la droite passant par le centre de la roue et par le point de contact et le point d'encastrement, de sorte qu'un angle de denture efficace peut être choisi lorsque la géométrie du réducteur est fixée. Selon un autre aspect avantageux de l'invention, la vis sans fin est apte à pivoter autour de son point d'encastrement, ce qui permet un mouvement de celle-ci sous l'effet d'un couple exercé sur la vis sans fin. En particulier, on peut prévoir que le réducteur comprend des moyens de détection du pivotement de la vis sans fin autour de son point d'encastrement. Ces moyens de détection sont aptes, après étalonnage, à détecter la valeur d'un couple exercé sur la roue dentée. Selon un autre aspect avantageux de l'invention, la vis sans fin est apte à fléchir sous l'effet d'un effort transmis par la roue dentée, ce fléchissement permettant d'absorber, au moins en partie, un tel effort sans risque de destruction du réducteur. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la vis sans fin est logée dans un corps du réducteur au moyen de deux roulements montés dans une cartouche inserée dans un orifice du corps. Cette construction permet un montage facile et rapide de la vis sans fin dans le réducteur de l'invention. L'invention concerne aussi une articulation de robot comprenant un réducteur tel que précédemment décrit. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un mode de réalisation d'un réducteur conforme à son principe et de schémas de répartition des efforts dans diverses situations, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - La figure 1 est une vue en coupe d'un réducteur conforme à l'invention - La figure 2 est un schéma des efforts appliqués dans le cas où un couple est exercé dans le sens trigonométrique sur la roue dentée du réducteur de la figure 1 - La figure 3 est un schéma analogue à la figure 2 dans le cas où le couple exercé est dans le sens trigonométrique inverse et - La figure 4 est un schéma analogue à la figure 3 dans le cas d'un dispositif ne mettant pas en oeuvre l'invention. Le réducteur 1 de la figure 1 comprend essentiellement une vis sans fin 2 pourvue d'un filet 3 et une roue dentée 4 pourvue d'une denture externe 4a. La roue dentée 4 et la vis sans fin 2 sont logées dans un corps 5 formant support qui est monté à l'extrémité du bras non représenté d'un robot multiaxes pour en constituer une articulation. Tel que représenté, le réducteur 1 peut constituer un poignet d'un robot multiaxes. Un support d'outil 6 est monté solidaire de la roue dentée 4 et peut recevoir un outil quelconque devant être déplacé par rapport à un objet. La vis sans fin 2 est montée dans le corps 5 au moyen d'une cartouche 7 comprenant deux roulements à billes 8 et 9 et une bague 10 d'immobilisation en translation. La cartouche 7 a des dimensions extérieures lui permettant de pénétrer dans un perçage 5a du corps 5 alors qu'elle est munie d'une collerette externe 7a destinée à venir en appui contre la surface extérieure du corps 5 lorsqu'elle est insérée dans le perçage 5a. Les cages internes des roulements 8 et 9 sont solidaires d'une tige 11 dont l'extrémité constitue la vis sans fin 2. On note XX' l'axe de rotation de la vis sans fin 2. Conformément à l'invention, la vis sans fin 2 est montée en porte-à-faux par rapport à la roue dentée 4. On note P le point d'encastrement de la vis sans fin 2 et de la tige 11. Ce point P appartient à l'axe XX' et est situé entre les roulements 8 et 9. Il constitue le point fixe de l'ensemble constitué par la vis sans fin 2 et par la tige 11. En effet, comptetenu de la souplesse des roulements 8 et 9, de la cartouche 7, de l'orifice 5a et de la tige 11, et de leurs tolérances de fabrication, un mouvement de pivotement de l'axe XX' autour du point P et/ou une flexion de la vis sans fin 2 sont possibles. Du fait que la vis sans fin 2 est en porte-à-faux par rapport à la roue dentée 4, le support d'outil 6 n'est pas gêné lors de ses déplacements angulaires par la géométrie du corps 5 qui peut avoir une surface externe 5b fuyante à proximité du support d'outil 6. Un effort F1 peut être exercé sur le support d'outil 6 à cause du poids propre de l'outil qu'il supporte et du support d'outil 6 et à cause de la réaction de l'environnement sur l'outil lui-même. Ainsi, par exemple, si l'outil porté par le support 6 est une fraise et si le support d'outil a une trajectoire de translation vers le haut de la figure 1, l'objet en cours de fraisage exerce sur la fraise et donc sur le support d'outil, un effort F1 dirigé vers le bas de la figure 1. Un effort F1 tel que représenté à la figure 1 est transmis par le support d'outil 6 à la roue 4 sous la forme d'un couple C1 dans le sens trigonométrique, ce couple ayant tendance à faire tourner la roue dentée 4 dans le sens trigonométrique. Ce couple C1 est transmis par la roue dentée 4 à la vis sans fin 2 grâce à la denture 4a de la roue dentée 4 qui apparaît plus clairement à la figure 2. La denture 4a est en contact avec le filet 3 de la vis sans fin 2. L'effort f1 transmis par la denture 4a du filet 3 est normal, au point de contact A, à la face 12a de la dent 12 de la denture 4a située au contact du filet 3. Cet effort f1 est orienté, à partir du point de contact A, obliquement par rapport à l'axe XX' et a tendance à soulever l'extrémité libre 2a de la vis sans fin 2. L'extrémité 2a peut être déplacée grâce à la flexion de la vis 2 et/ou grâce à son pivotement par rapport au point P. Ce déplacement de l'extrémité 2a nécessite un travail de l'effort F1 qui est ainsi absorbé par la structure du réducteur. Le mouvement de l'extrémité libre 2a tend à faire glisser le filet 3 par rapport à la denture 4a dans le sens de l'échappement du filet par rapport à la denture, ce glissement étant de nature à favoriser la transmission du mouvement de rotation de la roue dentée 4 à la vis sans fin 5. Ainsi, le réducteur de l'invention est réversible, c'est-à-dire permet la transmission d'un mouvement de l'arbre normalement mené à l'arbre normalement menant sans danger de rupture ou de destruction. L'effort f1 a tendance à soulever l'extrémité 2a de la vis sans fin 2 quel que soit l'angle de denture P de la denture 4a pour la face 12a, c'est-à-dire l'angle de la face 12a et d'une droite YY' passant par le point A et par le centre C de la roue dentée 4. Dans le cas où un effort F2, représenté par une flèche verticale dirigée vers le haut sur la figure 1, est appliqué sur le support d'outil 6 à cause de la réaction du milieu environnant, ou du poids propre de l'outil et du support d'outil lorsque le poignet travaille en position inversée, un couple C2 est appliqué sur la roue dentée 4 dans le sens trigonométrique inverse. Comme il apparaît plus clairement à la figure 3, la dent 12 de la denture 4a de la roue dentée 4 en contact, au point de contact B, avec le filet 3 de la vis sans fin 2 exerce sur celle-ci un effort f2 normal à face 12b de la dent 12 au point B. Telle qu'elle est représentée à la figure 3, la normale N à la face 12b de la dent 12 intersecte l'axe de rotation XX' entre le point P et un point Q correspondant au point d'intersection entre l'axe XX' et une droite YY' passant par le centre C de la roue dentée 4 et le point B. Ainsi, l'effort f2 a tendance à soulever l'extrémité 2a de la vis sans fin 2 par flexion de la vis 2 et/ou par pivotement de celle-ci autour du point P. La direction de la force f2 dépend de l'angle de denture a de la denture 4a. En effet, comme il apparaît en comparant les figures 3 et 4, si l'angle de denture est faible, représenté par l'angle ' à la figure 4, la normale N' au point B à la face 12b de la dent 12 de la denture 4a intersecte l'axe XX' au-delà du point P par rapport au point Q, de sorte que la force f2, résultant de la transmission du couple C2 de la roue dentée 4 à la vis sans fin 2 est dirigée vers la tige 11 audelà du point P et résulte en un effort d'arcboutement, c'està-dire de coincement de la vis sans fin 2 qui ne permet pas le déplacement de l'extrémité 2a. Dans ce cas, l'effort f2, ne résulte pas dans le déplacement de l'extrémité 2a de la vis 2 par rapport au du point P, de sorte que l'effort f'2 est un effort de coincement de la vis 2 qui peut résulter dans la destruction du filet 3 ou de la vis 2. De plus, aucun déplacement de la vis n' ayant lieu, cet effort ne peut pas être détecté. En pratique, la valeur minimale de l'angle de denture de la denture 4a peut être déterminé comme suit : Soit d1 la distance entre le point de contact B et l'axe XX' ; soit d2 la distance entre la droite YY' et le point P ; soit aO l'angle formé par une parallèle à l'axe XX' passant par le point B et une droite reliant le point B et le point P. La tangente de aO est égale au rapport de d1 du d2. La normale N à la face 12b intersecte l'axe XX' entre les points P et Q lorsque l'angle de denture a est supérieur à aO qui peur être défini par sa tangente, c'est-à-dire d1 &alpha;0 = arctg ----- d2 Ainsi, la valeur minimale de l'angle de denture permettant le pivotement de la vis sans fin 2 sous l'effet d'un effort F2 résultant dans un couple dans le sens trigonométrique inverse exercé sur la roue dentée 4 peut être déterminée à partir de la géométrie du réducteur dont les distances d1 et d2 sont des éléments connus. En pratique, il s'est avéré que l'angle a peut généralement être choisi avec une valeur supérieure à 200. La mise en oeuvre l'invention s'est avérée particulièrement avantageuse avec une roue dentée 4 choisie sous la forme d'une roue à denture creuse et une vis sans fin 2 choisie sous la forme d'une vis cylindrique. Selon un aspect avantageux de l'invention, le mouvement de rotation de la vis 2 résultant du couple C1 ou C2 peut être détecté par des moyens adéquats tels qu'un détecteur électro magnétique ou optique. Un dispositif coupe-circuit ou une alarme peuvent être pilotés en fonction du signal émis par ces moyens de détection. Le déplacement de l'extrémité 2a résultant de la flexion de la vis sans fin 2 peut être détecté, par exemple au moyen d'une jauge de contrainte montée sur la vis 2 ou la tige 11. Le déplacement de l'extrémité 2a peut aussi être détecté dans la mesure où il correspond au pivotement de la vis 2 par rapport au point P. Pour ce faire, on peut prévoir que des moyens de détection du pivotement de la vis 2 autour du point P sont prévus. Il peut s'agir d'un détecteur de proximité électromagnétique telle qu'une ampoule de reed, d'un potentiomètre, d'un capteur optique ou de tout autre moyen équivalent. Le réducteur 1 de l'invention peut être monté dans l'articulation d'un robot, ce robot pouvant être par exemple d'un robot multi-axes. L'invention permet à cette articulation de résister aux efforts F1 et F2 exercés sur la roue dentée et, éventuellement, de détecter ces efforts. Selon les modes de réalisation de l'invention, l'angle de denture des dents de la roue dentée 4 peut être différent entre la face des dents orientées vers le point d'encastrement P et à l'opposé de celui-ci. En effet, l'angle de denture n'influe pas sur la transmission des efforts dans la configuration de la figure 2 (angle ss) alors qu'il est essentiel dans la configuration de la figure 3 (angle a). Cependant, il est aussi possible de prévoir que les dents ont un profil symétrique, c'est-à-dire que l'angle de denture (a, ss) est identique pour les deux faces d'une dent de la denture 4a. REVENDICATIONS 1. Réducteur comprenant une roue dentée (4) et une vis sans fin (2), caractérisé en ce que ladite vis sans fin est montée en porte-à-faux en contact avec ladite roue dentée et en ce que l'angle (a) de denture de ladite roue dentée est tel qu'une normale (N) au point de contact (B) à la face (12b) orientée vers un point d'encastrement (P) de ladite vis sans fin, d'une dent (12) de ladite roue dentée, en contact avec le filet (3) de ladite vis sans fin, intersecte l'axe de rotation (XX') de ladite vis sans fin entre le point d'intersection (Q) dudit axe de rotation avec une droite (YY') passant par le centre (C) de ladite roue dentée ledit point de contact (B), d'une part et ledit point d'encastrement (P), d'autre part. 2. Réducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle de denture (a) de ladite roue dentée sur la face des dents (12) de ladite roue dentée (4) orientée vers ledit point d'encastrement (P) est supérieur à l'angle aO défini par dl aO = arctg ----- d2 où d1 est la distance entre ledit point de contact (B) et ledit axe de rotation (XX') de ladite vis sans fin (2) et où d2 est la distance entre ladite droite (YY') et ledit point d'encastrement. 3. Réducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'angle de denture (a) de ladite roue est supérieur à 200. 4. Réducteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite vis sans fin (2) est apte à pivoter autour dudit point d'encastrement (P). 5. Réducteur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de détection du pivotement de ladite vis sans fin autour dudit point d'encastrement (P). 6. Réducteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de détection de la rotation de ladite vis sans fin autour de son axe (XX'). 7. Réducteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite vis sans fin est apte à fléchir sous l'effet d'un effort (F1, F2) transmis par ladite roue dentée (4). 8. Réducteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite vis sans fin (2) est logée dans un corps (5) dudit réducteur au moyen de deux roulements (8, 9) montés dans une cartouche (7) insérée dans un orifice (5a) dudit corps. 9. Articulation de robot, comprenant un réducteur selon l'une des revendications 1 à 8.