Brevet FR2761286A1 — publié le 19981002

L'invention concerne des positionneurs multiaxes, et en particulier des positionneurs qui utilisent des montages à la Cardan multiaxes. Des positionneurs utilisant des montages à la Cardan multiaxes sont largement utilisés pour le positionnement d'antennes, de capteurs optiques, d'instruments scientifiques, de lasers et autres dispositifs analogues. Les montages à la Cardan procurent une relative facilité de mouvement telle que, par exemple, une antenne de satellite montée à la Cardan peut être positionnée pour suivre une cible fixe sur terre pendant que le satellite se déplace dans le ciel, ou pour suivre une autre antenne de satellite. Pendant que la cible se déplace par rapport à l'antenne montée à la Cardan, l'antenne est déplacée pour que la cible reste dans le faisceau relativement étroit de l'antenne. Pour être efficace, en particulier sur des longues distances, ce positionnement doit être précis et stable. Par exemple, si un dispositif monté à la cardan recueille des données optiques concernant l'électroluminescence dans un océan, un défaut de direction mineur de la plate-forme spatiale portant le dispositif optique peut signifier une erreur de localisation substantielle (de l'ordre de plusieurs kilomètres) à la surface de l'océan. Pour éviter les erreurs de pointage, les antennes ou les instruments sont isolés, autant que possible, de leur vaisseau-hôte, tel qu'un satellite, un véhicule de rentrée, ou un avion pour haute altitude. A cet effet, le système cardan/instrument est équilibré pour réduire le moment d'inertie de ce système. Un système de commande de position est généralement pourvu d'un asservissement de position pour réaliser un positionnement précis. Même les câbles qui assurent les échanges de signaux électroniques et le transfert d'énergie entre la plate-forme à instruments et l'aéronef suivent des trajets d'une manière qui minimise les forces qu'ils exercent sur la plate-forme. Malgré ces efforts importants, de par leur nature, les systèmes classiques sont plus lourds, moins fiables et plus difficiles à positionner que ne le pourrait un système plus simple. Une approche commune consiste à avoir un moteur monté sur une embase et un autre moteur monté sur la plate-forme effectuant un mouvement suivant le premier axe, et se déplaçant avec elle. Il en résulte une masse plus importante de la "charge utile" totale montée à la Cardan, ce qui risque de dégrader les performances possibles. De plus, le poids du système est plus élevé, dans ce cas, car la plate-forme du premier axe doit recevoir le montage du moteur, et les paliers de support du premier axe doivent être dimensionnés de façon à inclure le poids du moteur pendant les vibrations ambiantes lors du lancement. Une autre approche comprend une embase montée sur deux dispositifs à la Cardan, mais elle impose la complexité d'un coulisseau nécessaire pour transmettre par accouplement le mouvement provenant d'un moteur. De tels systèmes peuvent être sujets à du jeu, à une complexité de fabrication et à l'usure. Les incertitudes dues au jeu et au frottement, peuvent compliquer la conception d'un système associé de commande de position. L'invention concerne un système de positionneur multiaxe qui réalise un positionnement précis et une indication de position précise. En montant sur une embase les moyens d'entraînement et en les accouplant par un mécanisme d'engrenage nouveau, l'invention minimise le poids du système. La diminution de la masse de la charge utile, due au fait qu'aucun moteur n'est monté à la Cardan, permet un verrouillage plus aisé au lancement dans des applications à des satellites et une plus grande souplesse de positionnement. Le verrouillage au lancement peut être réalisé, par exemple, simplement par l'introduction d'une tige à travers une paroi de base dans une plate-forme du positionneur. L'invention comprend une monture à paliers d'embase, qui peut être reliée à une embase, telle qu'une structure de satellite. La monture comprend un arbre qui peut tourner autour d'un axe, l'arbre étant supporté par des paliers permettant une rotation à faible résistance de l'arbre. Similairement, une monture à paliers de plate-forme, comprenant des paliers et un boîtier pour les paliers, est reliée à l'arbre de la monture portant l'embase afin que son arbre puisse tourner dans une direction orthogonale à la direction de la rotation de la monture portant l'embase. Une plate-forme peut être fixée à la monture portant la plateforme ou peut en faire partie intégrante. Dans une forme avantageuse de réalisation, la plate-forme présente une surface rectangulaire plate à laquelle un instrument, une antenne, etc. peut être fixée. La monture portant l'embase et la plate-forme comprennent chacune une face dentée de sortie, ou secteur denté, qui s'accouple avec un pignon à denture conique relié à un moteur par l'intermédiaire d'un arbre tournant. Dans une forme avantageuse de réalisation, les actionneurs sont des moteurs pas-à-pas sur les arbres desquels les pignons à denture conique sont montés directement, mais les pignons coniques peuvent, en variante, être reliés aux arbres des moteurs par l'intermédiaire d'un train d'engrenage, par exemple. Chaque pignon à denture conique définit un cône et les sommets des cônes se coupent au centre de rotation du positionneur. Les secteurs dentés des montures de la plateforme et de l'embase sous-tendent chacun un arc, et les rayons des arcs s'étendent depuis la face dentée du secteur denté jusqu'au centre de rotation du positionneur. Des mouvements de rotation des actionneurs sont convertis en excursions le long de ces arcs, ce qui se transforme en un mouvement de la plate-forme autour du centre des arcs. De plus, dans une forme avantageuse de réalisation, un indicateur de position tel qu'un potentiomètre rotatif est accouplé à chaque arbre de monture pour procurer un asservissement de position qui peut être utilisé, par exemple, par un système de commande de position. L' invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels la figure 1 est une vue en plan de dessus d'un système de positionnement monté à la Cardan, selon l'invention la figure 2 est une vue en coupe du système de positionnement suivant la ligne 2-2 de la figure 1 ; et la figure 3 est une vue en coupe du système de positionnement suivant la ligne 3-3 de la figure 1. l'invention a trait à un système de positionnement multiaxe monté à la Cardan. Les systèmes de cardan auxquels l'invention a trait comprennent en général une plate-forme suspendue à une embase au moyen de dispositifs à la Cardan. Habituellement, des dispositifs montés à la Cardan, par exemple des instruments, des antennes, etc., sont fixés à la plate-forme et l'embase est reliée à, ou fait partie de, un satellite ou autre aéronef utilisant le dispositif. Le système de suspension à cardans multiples permet un mouvement relativement aisé d'un dispositif monté sur une plate-forme, autour de deux axes orthogonaux. Des dispositifs à la Cardan sont connus dans la technique. On peut en trouver une brève description dans le document "Van Nostrand's Scientific Encvclopedia", septième édition, Douglas M. Considine, P.E. Editor, Van Nostrand Reinhold, New York, 1989, page 1336. L'invention comprend une plate-forme montée sur une monture à paliers qui permet une rotation suivant un axe. La monture à paliers pour la plate-forme est suspendue à une monture à paliers d'embase qui est reliée à une embase ou bien, dans une forme avantageuse de réalisation, fait partie intégrante d'une embase, et elle permet une rotation autour d'un axe orthogonal à celui de la monture portant la plateforme. Des actionneurs, qui comprennent des transmissions à engrenage conique, sont placés sur 1'embase et, par une relation d'accouplement avec des dentures ou secteurs dentés situés sur la plate-forme et sur la monture portant la plate-forme, les roues à denture conique font tourner la plate-forme comme souhaité. Dans une forme avantageuse de réalisation, des capteurs de position sont fixés aux montures pour fournir des mesures directes de la position en rotation de la plate-forme. Etant donné que les actionneurs sont accouplés directement aux montures de la plate-forme et de l'embase, le positionneur de l'invention réalise un positionnement par "entraînement direct. De la même manière que le jeu et d'autres défauts indésirables de positionnement d'une platine tourne-disques entraînée par courroie sont éliminés d'une platine tourne-disques à entraînement direct, le positionneur de l'invention permet un positionnement relativement aisé et précis d'un système monté à la Cardan à axes multiples. La vue en plan de dessus de la figure 1 illustre une forme avantageuse de réalisation du positionneur 10 de l'invention. Une plate-forme 12 peut tourner autour d'axes Al et A2 sous la commande de moteurs ml et m2, respectivement. Des pignons respectifs B1 et B2 à denture conique sont montés sur les arbres S1 et S2 des moteurs ml et m2 et engrènent avec des secteurs dentés R1 et R2. Le mouvement de rotation des pignons à denture conique autour des axes de leurs arbres respectifs est transformé en un mouvement de rotation autour d'un axe qui est perpendiculaire à l'arbre. Par exemple, lorsque le pignon B1 tourne avec l'arbre S1, un mouvement en arc est communiqué au secteur denté R1 qui fait pivoter la plate-forme autour de l'axe Al perpendiculaire à l'axe du moteur ml. Similairement, un mouvement de rotation du pignon conique B2 autour de l'axe de l'arbre S2 est transformé en une rotation de la plate-forme autour de l'axe A2, perpendiculaire à l'axe du moteur m2. Dans la forme préférée de réalisation, le secteur denté R2 est formé d'une seule pièce avec la plate-forme 12 et le secteur denté R1 est formé d'une seule pièce avec une monture portant la plate-forme, ce qui sera décrit plus en détail en regard de la figure 2. Une embase, comprenant des parois 14 et une plaque 16, supporte la partie restante du système 10 de positionnement. En particulier, les moteurs ml et m2 sont montés dans les parois 14 au moyen de consoles ou d'autres organes de fixation analogues connus dans la technique. Des indicateurs I1 et I2 de position sont montés sur les arbres de la plate-forme et des montures de l'embase, comme décrites en détail en regard des figures 2 et 3. Dans une forme avantageuse de réalisation, les indicateurs de position sont des potentiomètres rotatifs qui font varier la résistance entre une borne fixe et une borne de curseur en association avec les positions des axes de ces indicateurs. De tels indicateurs sont connus dans la technique. Une description de ceux-ci et d'autres indicateurs de position en résistance est donnée dans l'article de Harry L. Trietley, Tranducers in Mechanical and Electronic Design", Marcel Dekker, Inc., New York, New York, 1986 pages 21-27. En plaçant des indicateurs pour une mesure directe du mouvement angulaire du positionneur, on peut obtenir habituellement une précision de mesure de 0,50 par les indicateurs. Les pignons B1 et B2 à denture conique définissent des cônes respectifs L1 et L2 et les sommets des cônes se coupent au centre de rotation de l'ensemble plate-forme/ monture. Du fait de cet agencement, c'est-à-dire de l'intersection des sommets des cônes des pignons à denture conique, chaque moteur peut faire tourner la plate-forme autour de son axe respectif sans interférence avec l'autre ensemble moteur/engrenage. Ceci empêche un blocage des actionneurs lorsqu'ils sont en rotation. Pour un changement de position donné par rotation du moteur ml, l'angle secteur denté d'embase/positionneur 1 change d'une quantité proportionnelle. Similairement, pour un changement donné de position en rotation du moteur m2, l'angle secteur denté de la plateforme/positionneur 2 change d'une quantité proportionnelle à la fois à la variation angulaire du moteur m2 et à l'angle secteur denté d'embase/positionneur. Plus particulièrement, les positions angulaires 2 des axes de sortie 1 et 2 sont données par = = (A) (angle de ml) (1) 2 = (B) [(angle de m2) + 1] (2) où A = Constante de proportionnalité entre la variation de position angulaire du moteur ml et la variation angulaire résultante d'un arc balayé par le centre de rotation secteur denté d'embase/positionneur. B = Constante de proportionnalité entre la variation de position angulaire du moteur m2 et la variation angulaire résultante d'un arc balayé par le centre de rotation du secteur denté de la plate-forme/ positionneur. L'accouplement mutuel entre les positions de l'axe Al et de l'axe A2, mis en évidence par l'équation 2, doit être pris en compte pour positionner convenablement la plate-forme 12 suivant les deux axes. La vue en coupe de la figure 2 suit la ligne 3-3 de la figure 1 et les mêmes éléments portent les mêmes références numériques. Comme indiqué dans la description en regard de la figure 1, dans une forme avantageuse de réalisation, le moteur ml est monté dans une paroi 14 et un pignon B1 à denture conique est fixé à l'arbre S1 du moteur. Le pignon B1 à denture conique engrène avec un secteur denté R1 et, par son mouvement de rotation, effectue un mouvement de translation du secteur denté R1. Ce dernier est combiné à un axe d'embase qui comprend des éléments en croix CR1 et CR2 orthogonaux entre eux. L'élément CR1 se déplace d'un seul bloc avec l'élément CR2. Cependant, l'élément CR1 forme un axe pour une rotation autour de l'axe géométrique A2 et l'élément CR2 est lui-même supporté par des axes qui permettent une rotation autour de l'axe géométrique Al perpendiculaire au plan de la figure 2. Un arbre SH1 aligné sur l'axe Al pénètre dans un support 18 de base où il est supporté par des paliers BR1. Similairement, la plate-forme 12 comporte des saillies 20 qui entourent l'arbre CR1 et sont supportées au moyen de l'arbre CR1 par des paliers BR2 qu'elles logent, comme décrit en regard de la figure 3. Un indicateur I2 de position mesure le mouvement relatif de rotation 2 de la plate-forme 12 par rapport à l'arbre CR1. La vue en coupe de la figure 3 suit la ligne 2-2 de la figure 1 et les mêmes éléments portent les mêmes références numériques. Le moteur m2 est supporté par la paroi de base 14 et un pignon B2 à denture conique est fixé à son arbre S2. Le pignon B2 engrène avec le secteur denté R2 qui, dans une forme avantageuse de réalisation, est réalisé d'une seule pièce avec la plate-forme 12. Un mouvement de rotation autour de l'arbre S2 est transformé en un mouvement de rotation autour de l'axe A2, perpendiculaire au plan de la figure 3, par l'intermédiaire de l'ensemble pignon B2 à denture conique/secteur denté R2. Comme indiqué précédemment, le sommet du cône L2 défini par le pignon B2 à denture conique coupe celui du pignon B1 à denture conique. Comme décrit en regard de la figure 2, le support 18 de base loge des paliers qui supportent les arbres SH1 et SH2 et permettent leur rotation à faible résistance. Les arbres SH1, SH2 supportent les deux éléments croisés CR1 et CR2 qui constituent la structure d'arbre de l'embase. L'indicateur I1 de position est monté sur l'arbre SH1 et mesure le mouvement relatif de rotation l entre l'arbre SH1 et le support 18 de base. En résumé, la plate-forme 12 est supportée par une monture à paliers de plate-forme qui comprend des saillies 20 entourant un arbre CR1 et qui sont supportées par l'arbre CR1 au moyen de paliers BR2. La monture de la plate-forme permet à la plate-forme de tourner autour d'un axe A2. La monture à paliers de base comprend une structure d'arbres de base qui comprend deux éléments croisés CR1 et CR2 et un secteur denté R1 tournant ensemble autour d'un axe Al et supportés par des paliers BR1 dans un support 18. Le mouvement de rotation du moteur ml qui, dans un alignement de la plate-forme 12, coïncide avec une rotation autour de l'axe A2, est transformé par le secteur denté R1 en une rotation autour d'un axe Al qui est orthogonal à l'axe de rotation de l'arbre du moteur ml. La description précédente de forme spécifique de réalisation de l'invention a été donnée uniquement à titre d'exemple illustratif. Il va de soi que l'invention n'entend pas être limitée par cette forme de réalisation, et que de nombreuses modifications et variantes sont possibles. Par exemple, bien qu'on préfère des moteurs pas-à-pas pour la facilité avec laquelle ils peuvent être commandés, on peut utiliser d'autres types de moteurs en association avec les roues à denture conique. De plus, la plate-forme montée en sortie peut prendre de nombreuses configurations ; il n'est pas nécessaire qu'elle se présente sous la forme d'une plaque rectangulaire essentiellement plate, comme illustré, mais elle pourrait prendre la forme d'un anneau ou toute autre forme commode. Les roues à denture conique peuvent être fixées directement aux arbres des moteurs d'actionnement, ou bien elles peuvent être accouplées par l'intermédiaire d'un engrenage aux arbres des moteurs, mais les sommets des cônes formés par les roues à denture conique devraient se croiser au centre de rotation du système du positionneur. Les secteurs dentés ou crémaillères de la plate-forme et de la monture de base peuvent être formés d'un seul tenant avec leurs structures associées respectives, ou bien peuvent être rapportées au moyen d'organes classiques de fixation tels que des vis, par exemple. REVENDICATIONS 1. Positionneur multiaxe caractérisé en ce qu'il comporte une plate-forme (12), une embase (14, 16) et des actionneurs (ml, m2) montés sur l'embase, les actionneurs ayant des axes associés respectifs (Al, A2) de rotation et étant en outre accouplés à la plate-forme par l'intermédiaire de montures à paliers afin que chaque actionneur puisse faire tourner la plate-forme autour d'un axe de rotation qui est orthogonal à son propre axe de rotation. 2. Positionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque actionneur comporte un moteur (ml, m2) ayant un arbre (S1, S2) accouplé à un pignon (B1, B2) à denture conique, chaque pignon définissant un cône (L1, L2) et les sommets de ces cônes se coupant et formant le centre de rotation du positionneur. 3. Positionneur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un secteur denté (R2) de plate-forme qui transforme un mouvement de rotation d'un premier des moteurs en une rotation autour d'un axe orthogonal à l'axe de l'arbre de ce premier moteur. 4. Positionneur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un secteur denté (R1) de base qui transforme un mouvement de rotation d'un second des moteurs en une rotation autour d'un axe orthogonal à l'axe de l'arbre du second moteur. 5. Positionneur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les axes de rotation des moteurs sont orthogonaux entre eux. 6. Positionneur selon la revendication 5, caractérisé en ce les pignons à denture conique sont montés directement sur les arbres des moteurs. 7. Positionneur selon la revendication 2, caractérisé en ce des indicateurs de position (I1, I2) sont fixés aux montures à paliers pour mesurer la position en rotation de la plate-forme par rapport à l'embase. 8. Positionneur multiaxe, caractérisé en ce qu'il comporte une plate-forme (12), une monture à paliers de plate-forme configurée pour supporter la plate-forme et pour permettre une rotation de la plate-forme autour d'un premier axe, une embase (14, 16), une monture (18) à paliers d'embase configurée pour supporter la monture à paliers de plate-forme sur l'embase et pour permettre une rotation de la monture à paliers de plate-forme autour d'un second axe orthogonal au premier axe, et des actionneurs (ml, m2) à engrenage conique montés sur l'embase en relation d'accouplement avec l'embase, avec la plate-forme et avec la monture à paliers de l'embase afin que les actionneurs puissent faire tourner la plateforme autour des premier et second axes. 9. Positionneur selon la revendication 8, caractérisé en ce les actionneurs comprennent des moteurs pas-à-pas (ml, m2) ayant des arbres tournant (S1, S2) auxquels des pignons (B1, B2) à denture conique sont accouplés. 10. Positionneur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les pignons à denture conique sont fixés directement aux arbres des moteurs. 11. Positionneur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les pignons à denture conique sont accouplés aux arbres des moteurs par l'intermédiaire de trains d'engrenage respectifs. 12. Positionneur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les pignons à denture conique définissent des cônes (L1, L2) qui sont en intersection au centre de rotation du positionneur. 13. Positionneur multiaxe, caractérisé en ce qu'il comporte une embase (14, 16) à laquelle un secteur denté (R1) et une monture (18) à paliers d'embase sont associés, une plate-forme (12) à laquelle un secteur denté (R2) et une monture à paliers de plate-forme sont associés, et des actionneurs (ml, m2, B1, B2) de plate-forme et d'embase montés orthogonalement l'un à l'autre sur l'embase, chaque actionneur comportant un moteur (ml, m2) et un pignon à denture conique (B1, B2), un rapport (A) étant associé au déplacement angulaire de l'arbre du moteur de l'embase et au déplacement angulaire autour d'un axe orthogonal à l'axe de rotation du pignon à denture conique de la plate-forme, et un rapport (B) étant associé au déplacement angulaire de l'arbre du moteur de la plate-forme et au déplacement angulaire autour d'un axe orthogonal à l'axe de rotation du pignon à denture conique de 1' embase. 14. Positionneur selon la revendication 13, caractérisé en ce que la valeur de l'angle (l) secteur denté d'embase/positionneur est égale au produit du rapport (A) et de la position angulaire du moteur de l'embase. 15. Positionneur selon la revendication 14, caractérisé en ce que la valeur de l'angle (02) plate-forme/ positionneur est le produit du rapport (B) et de la somme de l'angle dudit moteur de la plate-forme et de l'angle secteur denté d'embase/positionneur. 16. Positionneur selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'un indicateur (I1) de position est accouplé à la monture de paliers de la plate-forme et un autre indicateur (I2) de position est accouplé à la monture à paliers de la plate-forme, chaque indicateur étant couplé de façon à fournir une indication directe des angles.