Brevet FR2777722A3 — publié le 19991022

FR 2777722 A3 19991022 FR 9904406 A 19990408 Aaencement d'émission-réception de signaux de type optique La transmission d'un signal électrique entre un dispositif placé sur une structure tournante et un dispositif placé à terre s'effectue de manière connue au moyen d'un collecteur en anneaux, emboîté sur la l'arbre de la structure tournante, formé par des anneaux de matériau conducteur tel que cuivre ou bronze, et de balais en carbone pour chaque anneau, dont un relié électriquement au dispositif monté sur la structure tournante et l'autre relié au dispositif placé à terre. L'anneau conducteur et les deux balais permettent la trans- mission du signal entre le dispositif placé sur l'unité tournante et le dispositif placé à terre et inversement, du fait qu'il réalise une liaison électrique entre les deux unités. Le collecteur en anneaux assure donc une transmission de signaux bidirectionnelle respectivement de la structure tournante à la terre et de la terre à la structure tournante. Le contact frottant réalisé entre anneau et balai ne garantit pas dans le temps un bon contact pour des problèmes d'étince- lage, de formation de micro-cratères sur l'anneau, usure des balais, mouvement incorrect du balai dans son propre porte- balai. Pour remédier aux inconvénients ci-dessus ont été développées récemment, spécialement pour la transmission de signaux de basse valeur de tension et de courant, des unités fonction- nant différemment, dans lesquelles la transmission du signal utilise un système non pas à contact mais d'un type différent comme par exemple optique, capacitif, électromagnétique, à radio-fréquence, etc. Ces systèmes de remplacement pour la transmission du signal présentent les inconvénients suivants: - le montage ne peut se faire qu'en certains points de la machine; -- - la transmission du signal n'est pas toujours continue; - la transmission du signal n'est pas toujours bidirection- nelle. Le but principal de la présente invention est de fournir un agencement d'émission-réception des signaux de type optique exempt des inconvénients mentionnés ci-dessus. A cet effet, l'invention a pour objet un agencement essen- tiellement caractérisé en ce qu'il permet l'émission-récep- tion de signal sans collecteur en anneaux et sans utilisation de balais de contact, mais par l'intermédiaire d'un disposi- tif de type optique à rayons infra-rouges; la transmission desdits signaux est de type bidirectionnel, de la structure tournante à la terre et de la terre à la structure tournante. Une autre caractéristique de l'agencement provient de ce qu'il est muni d'une unité de transformation particulière qui, outre qu'elle le rend totalement indépendant dans la gestion des signaux placés sur la structure roulante, fournit une source d'alimentation pour les dispositifs placés sur la structure tournante, par exemple l'alimentation du pont des cellules de charge. Une autre caractéristique de l'agencement réside en ce qu'il peut être appliqué en un point quelconque sur l'arbre de la structure tournante et qu'aucune limitation n'est prévue pour la vitesse de rotation de cet arbre. Une autre caractéristique de l'invention consiste en ce que l'agencement peut être mis en oeuvre à la demande, grâce au montage d'anneaux et de balais pour la transmission bidirec- tionnelle de signaux de puissance, et qu'on peut ainsi réaliser, dans le même agencement, une transmission de signaux à anneaux et balais pour les signaux de puissance et un agencement optique pour la transmission de signaux de faible valeur. L'invention présente les avantages suivants par rapport aux collecteurs à anneaux avec balais de contact: - absence de balais et d'anneaux de contact, condition assurant absence de manutention, absence de limite pour la vitesse de rotation de l'arbre de la machine et sécurité de fonctionnement dans la transmission des signaux; - liaison en entrée et en sortie avec un câble à quatre conducteurs ainsi qu'avec autant de conducteurs qu'il y a d'unités à relier; - dimensions plus réduites, particulièrement dans la direc- tion de la longueur. L'invention présente également les avantages suivants par rapport aux systèmes de remplacement plus récents: - possibilité de montage en un point quelconque de la machine; - fonctionnement avec des signaux de type bidirectionnel; - gestion continue des signaux; - alimentation des unités placées sur la structure roulante; - transmission de signaux analogiques jusqu'à la tension de 200 V et de signaux en fréquence et phase, par exemple provenant de codeurs; - formation d'un agencement intégré avec transmission de signaux de puissance par l'emploi d'anneaux et de balais et de type optique pour la transmission de signaux de faible valeur. D'autres caractéristiques de l'agencement sont décrites ci- après en référence aux dessins annexés seulement à titre illustratif. La figure 1 est une vue en coupe de la structure en anneau de l'agencement appliqué sur l'arbre de la structure tournante d'une machine. La figure 2 est une vue en bout de la structure en anneau selon la figure 1. La figure 3 est un schéma d'un mode de réalisation préféré de l'agencement de liaison et d'émission-réception des signaux. Référence étant faite à la figure 3, l'agencement d'émission- réception des signaux est essentiellement formé de: - une structure en anneau 1; - une carte ou plusieurs cartes 5 placées sur la structure tournante 23 de la machine pour la liaison des dispositifs aménagés sur la structure tournante et dont les signaux doivent être émis et reçus; - une carte ou plusieurs cartes 6 placées à terre pour la liaison des dispositifs dont les signaux doivent être émis et reçus. Référence étant faite aux figures 1 et 2, la structure en anneau 1 est constituée par une partie tournante 2 et par une partie fixe 4. La partie fixe 4 permet la rotation de la partie mobile 2 grâce à deux paliers 7 placés aux deux extrémités de la structure. La partie mobile 2 est emmanchée sur l'arbre tournant 3 de la machine et est rendue solidaire de celui-ci par l'utilisation de dispositifs appropriés 8. Différentes structures en anneau sont prévues pour différen- tes gammes de diamètres d'arbres variables de 40 à 400 mm. Il est également possible de réaliser des structures en anneau pour des diamètres inférieurs et supérieurs. Dans le cadre de la même gamme, sont prévus des dispositifs de compensation pour un diamètre différent de l'arbre. La partie fixe 4, concentrique à la partie mobile 2, est fixée à la terre au moyen d'un dispositif anti-couple 9 propre à vaincre la friction des deux paliers 7. Dans la structure est montée une unité de transformation 10, alimentée sous 24 V/50 Hz ou- à la fréquence différente du réseau, qui fournit l'alimentation aux unités consommatrices suivantes: - cartes tournantes 24 et 25 des canaux optiques d'émission- réception des signaux; - carte ou cartes d'émission-réception 5 pour la liaison des dispositifs placés sur la structure tournante 23 de la machine; - unités consommatrices éventuelles montées sur la structure tournante 23 de la machine; - unité de transformation éventuelle d'une autre structure en anneau. La conversion de puissance est produite sur le principe du transformateur, c'est-à-dire en tirant parti de la variation de flux concaténé entre deux enroulements 12, dont la disposition particulière assure l'indépendance de la vitesse de rotation de l'arbre 3 de la machine. Les deux enroulements 12 sont logés sur deux anneaux d'acier concentriques 13 et 14, l'anneau 13 étant fixé à la partie fixe et l'anneau 14 à la partie mobile de la structure. Dans la structure en anneau 1 sont ménagées deux chambres distinctes 15 et 16, la chambre 15 pour le montage d'une ou plusieurs paires de cartes 24 et 26 comprenant les canaux optiques pour l'émission-réception des signaux analogiques, numériques, port série, et la chambre 16 pour le montage d'une ou plusieurs paires de cartes 25 et 27 comprenant les canaux optiques pour la transmission des signaux en fréquence et phase, par exemple des signaux de codeurs. Les cartes de chaque paire 24 et 25 sont solidaires de la partie mobile 2 de la structure en anneau 1 et les cartes 26 et 27 sont solidaires de la partie fixe 4. Les modalités de transfert des données entre les cartes formant chaque paire peuvent être différentes en fonction du type de signaux, comme décrit plus loin. La structure en anneau peut être fournie selon différentes solutions en fonction du type et du nombre des canaux à gérer et selon les exigences, peut être protégée contre les agents atmosphériques divers ou être munie d'une résistance anti- condensation et agencée pour fonctionner dans des atmosphères o sont traités des produits explosifs. Les cartes électroniques 5 et 6, respectivement tournante et fixe, ont une structure identique et symétrique et sont munies de plaques à bornes et de connecteurs de liaison pour les signaux suivants: - entrée signaux analogiques 17; - sortie signaux analogiques 18; - entrée signaux numériques 19; - sortie signaux numériques 20; - unité consommatrice série 21; - signaux en fréquence et phase 22 (signaux provenant de codeurs; - éventuelles unités de bord à alimenter. La carte 5 est reliée aux cartes tournantes 24 et 25 et la carte 6 est reliée aux cartes 26 et 27. Les liaisons sont réalisées par câble à quatre conducteurs, celui relatif aux cartes 5,. 24 et 25 passant dans les canaux 1i et celui entre les cartes 6, 26 et 27 au moyen d'une plaque à bornes. La carte 5 est alimentée par l'unité de transformation 10 de la structure en anneau. Entre la carte d'émission-réception 5 de la structure tournante et la carte d'émission-réception stationnaire 6 sont prévus des moyens de contrôle continu de diagnostic concernant l'émission et la réception des données pour s'assurer du bon fonctionnement de l'agencement. Le nombre et le type variables des signaux à gérer, présents sur la structure tournante et sur la structure à terre, peuvent nécessiter l'utilisation de cartes supplémentaires reliées respectivement aux cartes tournante 5 et fixe 6. Les signaux analogiques 17 et 18 peuvent être en tension (V) et/ou en courant (mA), les signaux en tension pouvant avoir une entrée en émission jusqu'à 200 V correspondant à une sortie en réception de 10 V. Les signaux numériques d'émission 19 peuvent provenir de contacts propres dépourvus de tension et/ou de signaux en tension 5+24 V et peuvent intervenir avec une fréquence maximale de 100 Hz. Les signaux correspondants en réception 20 sont disponibles dans la solution à contacts propres avec utilisation de relais et/ou avec technologie à l'état solide type "mosfet". Le canal série d'émission-réception 21 est de type asynchrone duplex intégral avec vitesse de transmission pouvant être sélectionnée entre 1200 et 19200 bauds. Les canaux en fréquence et phase, signaux de codeurs, proviennent de dispositifs du commerce avec fréquence de transmission allant typiquement jusqu'à 100 kHz, (il est possible de gérer des signaux de fréquence supérieure jusqu'à 300 kHz); les signaux sont transmis en mode unidirectionnel, de la structure tournante à la terre, ou de la structure à terre à la structure tournante, des cartes d'adaptation étant prévues en fonction des caractéristiques du signal. Comme indiqué précédemment, il est prévu pour les canaux optiques 24, 25, 26 et 27 deux méthodologies différentes d'émission-réception en fonction du type de signaux, qu'ils soient analogiques, numériques, série ou en fréquence et phase (signaux de codeurs). - Les signaux analogiques, numériques et série présentent les caractéristiques suivantes: - la transmission est de type asynchrone simplex ou duplex; - la vitesse de transmission est programmée jusqu'à 250 kbauds mais peut être supérieure pour des exigences particu- lières; - la vitesse d'échantillonnage et de transmission des signaux analogiques et numériques peut être programmée en fonction du nombre et des exigences des canaux individuels. Pour les canaux en fréquence et phase (canaux codeurs), la transmission est ponctuelle sans traitements. L'agencement d'émission-réception objet de l'invention peut être utilisé non seulement dans des structures tournantes, mais aussi sur des structures fixes et d'une manière générale dans tous les cas o il n'est pas possible de réaliser une liaison électrique par câble entre des dispositifs dont les signaux doivent être émis et reçus et même dans les cas o la liaison par câble pourrait créer des problèmes électromécani- ques de tenue dans le temps et de bon fonctionnement. Les avantages résultant de l'emploi de l'agencement d'émis- sion-réception décrit ci-dessus peuvent être résumés comme suit: agencement d'émission-réception de signaux complètement autonome, sans utilisation de balais de contact pour l'émis- sion-réception et/ou l'alimentation; - agencement applicable sur des structures tournantes ou sur des structures fixes pour lesquelles il n'est pas possible de réaliser une liaison par câble ou la liaison par câble comporte une insécurité de fonctionnement; - agencement utilisable et montable sur un point quelconque de l'installation; - émission et réception de signaux de type quelconque, comme émission continue de signaux analogiques jusqu'à 200 V, émission-récepzion de signaux numériques de fréquence allant jusqu'à 100 Hz, signaux de fréquence et maintien de phase entre deux ou plusieurs signaux, tels que signaux de codeurs, avec une fréquence typiquement de 100 kHz et pouvant attein- dre 300 kHz. - canaux séries avec vitesse d'émission jusqu'à 19200 bauds; - modularité de l'agencement, avec possibilité de fourniture avec des caractéristiques constructives différentes; - agencement permettant le montage d'anneaux collecteurs et de balais pour l'émission-réception de signaux de puissance en même temps que l'émission-réception de signaux par l'agencement de type optique selon les caractéristiques décrites ci-dessus. !0 Revendications 1. Agencement d'émission-réception de signaux de type optique, en particulier entre une structure tournante et un dispositif placé à terre, caractérisé en ce qu'il est constitué par une structure en anneau (1) comprenant une partie mobile (2) propre à être emmanchée et rendue solidaire de l'arbre (3) de la structure tournante de la machine et une partie fixe (4), une carte d'émission-réception (5) reliant les dispositifs devant émettre et recevoir des signaux et placés sur la structure tournante (23) de la machine et une carte d'émission-réception (6) reliant les dispositifs devant émettre et recevoir des signaux et placés à terre. 2. Agencement d'émission-réception selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure en anneau (1) est munie d'une unité de transformation (10) pour l'alimentation des diverses unités consommatrices, dont la conversion d'énergie est produite au moyen de la variation de flux concaténé entre deux enroulements (12) assurant l'indépendance de la vitesse de rotation de l'arbre (3) de la machine. 3. Agencement d'émission-réception selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure en anneau (1) comprend deux chambres distinctes (15, 16) pour contenir respective- ment une ou plusieurs paires de cartes (24, 26, 25, 27) pour l'émissionréception des signaux analogiques, numériques, port série, et des signaux en fréquence et phase (signaux de codeurs). 4. Agencement d'émission-réception selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une ou plusieurs cartes d'émission-réception (5) pour la liaison des signaux prove- nant des dispositifs montés sur la structure tournante (23) de la machine, reliées par un câble à quatre conducteurs passant dans des canalisations appropriées (11) aux cartes tournantes (24, 25) de la structure en anneau (1). 5. Agencement d'émission-réception selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une ou plusieurs cartes d'émission-réception (6) pour la liaison des signaux prove- nant de dispositifs placés à terre et reliées par un câble à quatre conducteurs par l'intermédiaire d'une plaque à bornes et/ou de connecteurs. 6. Agencement d'émission-réception selon l'une des revendi- cations 1, 4 et 5, caractérisé en ce que les cartes électro- niques tournante et fixe (5, 6) sont de structure identique et symétrique et sont munies de plaques à bornes et de connecteurs de liaison pour entrées et sorties de signaux analogiques (17, 18), entrées et sorties de signaux numéri- ques (19, 20), unité consommatrice série (21), signaux en fréquence et phase (22) (signaux provenant de codeurs). 7. Agencement d'émission-réception selon l'une des revendi- cations 1 et 4 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de contrôle continu de diagnostic concernant l'émis- sion et la réception des données par les cartes (5) de la structure tournante (23) de la machine et les cartes (6) situées à terre. 8. Agencement d'émission-réception selon l'une des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que la structure en anneau (1) peut être montée et utilisée sur un point quelcon- que de l'arbre tournant de la structure (23) de la machine. 9. Agencement d'émission-réception selon l'une des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce au'il permet le montage d'anneaux collecteurs et de balais pour l'émission- réception des signaux de puissance en même temps que l'émis- sion-réception de signaux avec un agencement de type optique. 10. Agencement d'émission-réception selon l'une des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce qu'il peut être utilisé, outre par les structures tournantes, également par les structures fixes en particulier dans les cas o il n'est pas possible de réaliser une liaison électrique par câble entre les dispositifs dont les signaux doivent être émis et reçus, ou dans les cas o la liaison par câble pourrait poser des problèmes électromécaniques de tenue dans le temps et de bon fonctionnement.