Brevet FR2777216A1 — publié le 19991015

La présente invention concerne les machines porte-outils, par exemple les visseuses ou les perceuses, d'axe entraîné en rotation par tout type de générateur d'énergie rotative, par exemple par moteur électrique, pouvant être monté sur des robots, par exemple des robots manutentionneurs multibroches, ou pouvant être portatifs et actionnés par un opérateur. Qu'il soit tenu par la main de l'opérateur ou par le poignet d'un robot manutentionneur, ce type de machine provoque le plus souvent une réaction au couple sur le carter de la machine en fin de serrage des vis ou écrous ou de blocage du foret. Une telle réaction se traduit par une rotation autour de l'axe central correspondant au couple maximal délivré par la machine. Cette réaction peut entraîner des lésions graves au poignet de l'opérateur ou des vrillages importants du bras de robot, ou, au mieux, une qualité de serrage ou de forage sensiblement diminuée. Afin de résoudre ce problème, il est possible de déterminer par modélisation les enveloppes des positions de fonctionnement admissibles et leur reproductibilité en fonction du type de robot utilisé, du type de montage et des différentes positions de vissage. Cette démarche de modélisation est complexe car, pour obtenir des résultats valables, il est nécessaire de rassembler, pour chaque type de machine ou de robot, un grand nombre de données précises pour obtenir un paramétrage suffisant des logiciels d'asservissement. La démarche suivie par la présente invention est différente. Elle consiste à éliminer les réactions dues au couple par la mise en oeuvre d'un effet inertiel. Les volants d'inertie habituellement utilisés dans les machines-outils sont destinés à servir simplement de masse d'équilibrage de l'outil pendant son fonctionnement, comme décrit par exemple dans le brevet EP 209916. 2 2777216 La présente démarche mécanistique permet d'atteindre l'objectif souhaité sans dépendre du type de robot manutentionneur ou des positions de vissage à respecter. Plus précisément, l'invention a pour objet une machine porte-outils à entraînement rotatif sans réaction de couple, comportant une source d'énergie rotative pour un arbre de rotation porteur d'outillage autour d'un axe, caractérisée en ce qu'elle comporte un volant d'inertie qui est temporairement entraîné en rotation par la source d'énergie rotative et qui restitue l'énergie cinétique emmagasinée pour entraîner en rotation l'arbre porteur d'outillage par l'intermédiaire d'un réducteur de vitesse et d'un limiteur de couple. Selon différents modes de réalisation, le moteur d'entraînement du volant d'inertie est soit incorporé à la machine porte-outils, et dans ce cas l'accélération du volant d'inertie peut être effectuée de manière progressive en dehors de la phase opérationnelle de la machine, soit disposé à poste fixe hors de la machine. Dans ce dernier cas, des moyens de connexion temporaire sont prévus entre l'arbre du volant d'inertie de la machine et celui du moteur d'entraînement. Selon une forme de réalisation particulière, la source d'entraînement étant un moteur électrique composé classiquement d'un rotor et d'un stator périphérique entourant le rotor, le rotor est immobilisé et le stator, libéré, sert avantageusement de volant d'inertie par couplage à l'arbre de rotation de la machine. Selon un exemple de réalisation, le réducteur de vitesse est découplé du volant d'inertie à l'aide d'un embrayage pendant les périodes de lancement du volant d'inertie et de non-utilisation opérationnelle de la machine. Ce découplage permet de diminuer le bruit engendré par ce type de réducteur de vitesse, qui consomme de l'énergie dans un volume réduit pour obtenir de fortes réductions de vitesse, par exemple selon un facteur 1 0 ou 1 00. 3 2777216 Les contraintes mécaniques induites par les vitesses de rotation et les valeurs de couple de serrage que l'on cherche à obtenir, imposent des valeurs d'énergie cinétique emmagasinée par le volant d'inertie, valeurs qui résultent classiquement de sa masse, de ses dimensions et de sa vitesse de rotation. Il apparaît que les valeurs de diamètre, de largeur et de masse du volant d'inertie ainsi déterminées sont compatibles avec les dimensions et le poids habituellement utilisés pour ce type de machine. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture qui suit d'un exemple de réalisation particulier, accompagné des figures annexées qui représentent respectivement: - la figure 1, une vue en coupe schématique d'un exemple de visseuse selon l'invention, sans moteur d'entraînement embarqué; - la figure 2, une vue en coupe schématique d'un moteur d'entraînement électrique, embarqué dans une machine selon l'invention dans laquelle le stator sert de volant d'inertie. La visseuse représentée schématiquement en coupe selon la figure 1, passant par un axe central X'X, comporte: - un carter externe 1, sensiblement de révolution autour de l'axe X'X et contenant les pièces de mise en rotation d'un arbre 2 couplé à une douille de serrage 3 de la lame à utiliser (et du foret dans le cas d'une machine multi-usage, ou de tout outillage adaptable); - un limiteur de couple 4, à dents de loup dans l'exemple de réalisation, destiné à obtenir la puissance adaptée à un forage ou à un vissage donné en fonction des conditions d'utilisation (nature des matériaux à visser, force de serrage, etc.); le limiteur de couple 4 est ajusté en position par un ressort de contre- appui 13 - un réducteur de vitesse 5 formé, dans cet exemple, de deux trains hépicycloïdaux 5a et 5b, chaque train assurant une réduction de vitesse de rotation d'un facteur 10, le réducteur étant couplé à un volant d'inertie 6 par l'intermédiaire d'un dispositif d'embrayage 7 connu de 4 2777216 l'homme du métier, par exemple d'un embrayage électromagnétique à disque; - le volant d'inertie 6 formé d'une masse inertielle à couronne périphérique 6a montée sur un disque 6b et fermée par des flasques trouées 6c; pour obtenir une valeur de rotation de 1500 tours par minute et un couple de serrage de 50 Newtons-mètres, le volant d'inertie possède une masse de 4 kg pour un diamètre et une largeur de l'ordre du décimètre. En fonctionnement, I'arbre de rotation interne 2b de la machine est connecté à son extrémité arrière, montée sur le volant d'inertie 6, à une source d'énergie rotative, un moteur électrique 8 dans l'exemple de réalisation. Ce moteur électrique peut être embarqué à l'arrière de la machine, comme schématiquement illustré, ou être disposé à un poste fixe comme illustré par le plan de coupe Y'Y, la machine venant alors se connecter à ce poste par l'élément de connexion. La plupart des éléments rotatifs sont maintenus dans le carter 1 et stabilisés en rotation par l'intermédiaire d'éléments de liaison sans frottement, des roulements à billes 9 dans l'exemple de réalisation. Des micro-capteurs 10 sont disposés dans le carter 1 en face de plots 11, intégrés dans le volant 6, afin de déterminer la vitesse de rotation du volant par couplage électrique à une puce de calcul et de commande 12. Cette puce, qui comporte un microprocesseur et des composants classiques (mémoires, transistors, filtres,...) est de conception connue et sa description sortirait du cadre de la présente invention. L'alimentation électrique est assurée par des batteries embarquées (non représentées) dont la tension délivrée est ajustée par la puce de commande. Les différentes phases de fonctionnement: lancement, travail, relances, et arrêt se déroulent comme suit. Dans un premier temps, appelé phase de lancement, le volant d'inertie 6, débrayé du réducteur de vitesse par débrayage du dispositif 7, est entraîné en rotation selon une accélération progressive commandée 2777216 par la puce, afin d'atteindre une vitesse déterminée après une période de temps prédéterminée. Une vitesse de rotation de 1500 tour/min. est obtenue en 1,5 secondes dans l'exemple de réalisation. Dans cette phase, les trains réducteurs 5a et 5b ne sont donc pas entraînés afin d'éviter une perte d'énergie, environ égale à 10% par train. Ce débrayage permet également de s'affranchir du bruit déclenché par ces trains. A la fin de la période de lancement, c'est-à-dire lorsque le volant d'inertie a atteint sa vitesse nominale, une gâchette de commande 13 est enclenchée afin de coupler le réducteur de vitesse 5 au volant 6 par un positionnement adapté de l'embrayage 7. Pour ce faire, la gâchette 13 envoie ainsi un signal à la puce de commande qui déclenche le déplacement de l'embrayage 7 par l'établissement d'un champ électromagnétique adapté dans cet embrayage. Parallèlement, le volant d'inertie 6 est découplé du moteur d'entraînement 8 par action sur l'élément de connexion 14. Ce découplage est obtenu par tout moyen connu de l'homme du métier, par exemple par des moyens électromagnétiques Au début de la phase opérationnelle, le couple et la rotation sont alors communiqués à l'arbre porte-outils 2a à travers le réducteur de vitesse 5 et le limiteur de couple 4. Du fait du découplage du volant d'inertie, I'énergie disponible est limitée. Il peut alors être nécessaire de relancer la rotation du volant d'inertie par recouplage au moteur d'entraînement, lorsque la vitesse du volant atteint une valeur minimale, par exemple 1000 tours par minute. Lorsque cette vitesse minimale prédéterminée est mesurée par les micro- capteurs, la puce commande la connexion au moteur d'entraînement ou avertit l'opérateur de la nécessité d'une relance. Pendant cette période de relance, le réducteur de vitesse est débrayé automatiquement du volant d'inertie par commande de la puce. Plusieurs relances peuvent être nécessaires au cours de la phase opérationnelle. 6 2777216 Lorsque l'opération à effectuer se termine, le volant d'inertie fournit toute son énergie cinétique résiduelle, et la machine peut être retirée sans effet de couple. Selon un exemple particulier de réalisation, le moteur d'entraînement est un moteur électrique incorporé à la machine porte- outils, comme représenté schématiquement sur la figure 2. Dans cet exemple de réalisation, I'élément périphérique 8a du moteur d'entraînement 8, habituellement le stator, est entraîné en rotation par l'élément central 8b, immobilisé à l'aide de broches 15, I'élément central étant habituellement le rotor des moteurs électriques. L'élément périphérique 8a sert alors de volant d'inertie et est couplé directement au réducteur 5b à travers le dispositif d'embrayage 7. L'élément périphérique 8a est monté également sur roulement à billes 9 dans le carter 1. Les micro-capteurs 10' sont alors disposés dans le carter en regard des plots 11' de décompte de tours intégrés sur cet élément périphérique. Les dimensions d'un tel élément périphérique habituellement utilisé dans les moteurs d'entraînement électriques classiques, en particulier le diamètre externe D et le diamètre interne d, ont des valeurs telles qu'elles sont directement adaptées à l'utilisation en tant que volant d'inertie dans les conditions exposées précédemment. Il est ainsi possible d'utiliser directement ce type de moteur sans avoir à utiliser d'autre volant d'inertie, ce qui constitue une économie de réalisation. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. L'invention s'applique à tout type de machine porte-outils, aussi bien fraiseuse, affûteuse, découpeuse et cisailleuse ou machineoutil, aussi bien que pour toute machine porte-outils portative ou non, ou pour tout robot manutentionneur multi ou mono broche(s). Les adaptations en masse et en dimensions du volant d'inertie sont calculées en fonction des valeurs de couple de serrage et de vitesse de rotation devant être atteintes dont l'élaboration est à la portée de l'homme du métier à partir des calculs de moments d'inertie polaire du volant d'inertie annulaire et de l'expression 7 2777216 à réaliser en fonction de la géométrie du volant d'inertie. Par ailleurs, tout type de source d'énergie rotative peut être adaptée et utilisée, aussi bien moteur électrique que moteur pneumatique, hydraulique ou turbine. 8 2777216 REVENDICATIONS 1. Machine porte-outils à entraînement rotatif sans réaction de couple, comportant une source d'énergie rotative (8) pour un arbre de rotation (2a) porteur d'outillage autour d'un axe (X'X), caractérisée en ce qu'elle comporte un volant d'inertie (6) qui est temporairement entraîné en rotation par la source d'énergie rotative (8) et qui restitue l'énergie cinétique emmagasinée pour entraîner en rotation l'arbre porteur d'outillage (2a) par l'intermédiaire d'un réducteur de vitesse (5) et d'un limiteur de couple (4). 2. Machine porte-outils selon la revendication 1, caractérisée en ce que la source d'énergie rotative du volant d'inertie est disposée à poste fixe hors de la machine, et en ce que des moyens de connexion temporaire sont prévus entre l'arbre du volant d'inertie de la machine et celui du moteur d'entraînement. 3. Machine porte-outils selon la revendication 1, caractérisée en ce que la source d'énergie rotative du volant d'inertie est incorporée à la machine porte-outils, et en ce que, pendant la phase de lancement, le volant d'inertie est accéléré de manière progressive. 4. Machine porte-outils selon la revendication 3, caractérisée en ce que, la source d'entraînement étant un moteur électrique (8) composé d'un rotor (8b) et d'un stator périphérique (8a) entourant le rotor, et en ce que, le rotor étant immobilisé, le stator, libéré, constitue le volant d'inertie par son couplage à l'arbre de rotation interne (2b) de la machine. 5. Machine porte-outils selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisée en ce que, pendant une phase de lancement, le volant d'inertie (6) est entraîné en rotation selon une accélération progressive. 6. Machine porte-outils selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le réducteur de vitesse est découplé du volant d'inertie à l'aide d'un embrayage pendant les périodes de lancement du volant d'inertie et de non-utilisation opérationnelle de la machine. 9 2777216 7. Machine porte-outils selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte - un carter externe (1), sensiblement de révolution autour de l'axe (X'X) et contenant des pièces de mise en rotation de l'arbre externe (2a) couplé à une douille de serrage (3) d'outil; - un limiteur de couple (4) ajusté en position par un ressort de contre-appui (13); - un réducteur de vitesse (5) formé de deux trains hépicycloïdaux (5a, 5b), le réducteur étant couplé au volant d'inertie (6) par l'intermédiaire d'un dispositif d'embrayage (7); et en ce que - le volant d'inertie 6 est formé d'une masse inertielle à couronne périphérique (6a) montée sur un disque (6b) et fermée par des flasques trouées (6c); - le volant d'inertie (6), le réducteur de vitesse (5) et le limiteur de couple (4) sont maintenus dans le carter (1) et stabilisés en rotation par l'intermédiaire d'éléments de liaison sans frottement (9); des micro-capteurs (10) sont disposés dans le carter (1) en face de plots (11), intégrés dans le volant (6), afin de déterminer la vitesse de rotation du volant par couplage électrique à une puce de calcul et de commande (12). 8. Machine porte-outils selon la revendication 7, caractérisée en ce que le dispositif d'embrayage (7) est du type électromagnétique à disque. 9. Machine porte-outils selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la source d'énergie rotative est choisie parmi les moteurs électriques, pneumatiques, hydrauliques ou les turbines.