Brevet FR2897700A1 — publié le 20070824

SYSTEME COMPLIANT A EQUILIBRAGE AUTO-REGULE ET A ASSISTANCE ANTI-INERTIELLE Tout d'abord, précisons que les mots compliant ou compliance traduisent une capacité d'auto-adaptation d'une pièce mobile sur un pilote fixe qu'elle vient accoster. Ils concernent donc une phase de mouvement généralement de faible amplitude dans lequel la pièce mobile vient, avec un minimum d'effort résiduel, se mettre en contact (souvent avant serrage) avec les faces d'un pilote. Nous appellerons cette opération mouvement de compliance . Ce mouvement comprend deux parties distinctes. La première est une approche qui amène à un premier contact entre le pilote et la pièce mobile. La deuxième, que nous appellerons partie finale, consiste à effectuer une mise en position plus intime entre ces deux pièces. En pratique, ce mouvement est rendu nécessaire par l'imperfection avec laquelle on connaît les positions relatives de la pièce mobile et du pilote (lequel est fixe ou non car nous ne considérons ici que le mouvement relatif entre ces deux pièces. Ainsi, tout l'ensemble peut se déplacer sans rien changer à notre raisonnement). Ainsi donc, il s'agit d'effectuer la mise en contact d'une pièce qui doit se positionner sur un pilote avec un maximum de souplesse et de précision. Pour ce faire, il y a lieu de s'affranchir de deux paramètres qui sont le déséquilibre et les inerties. 1 - le déséquilibre : On connaît bien sûr des systèmes d'équilibrage, notamment les contrepoids avec toutes les implantations que permet cette technologie. Toutefois, cette solution simple et efficace a un gros inconvénient, elle augmente la masse (donc l'inertie) de l'installation et son implantation n'est pas toujours possible pour des raisons d'encombrement. On peut aussi utiliser des vérins qui, s'ils sont pneumatiques, ont une faible bande passante, s'ils sont - 2 - hydrauliques nécessitent une installation lourde, compliquée, voir dangereuse. On connaît par ailleurs, l'équilibreur mécanique décrit dans les brevets français n 84 08383 et 88 02423. Ces appareils entièrement mécaniques ont une bande passante élevée mais ne fonctionnent que montés de telle sorte que leur angle d'implantation par rapport au plan horizontal soit constant. Ils ne sont donc pas utilisables sur des équipements mobiles dans l'espace et dans le temps. 2 - les inerties : Il est possible d'utiliser des systèmes à ressorts, voir les équilibreurs définis ci-dessus pour compenser des inerties lors de mouvements cycliques puisqu'ils stockent l'énergie comme des condensateurs. Toutefois, les mouvements de compliance sont par définition aléatoires et nécessitent donc quasi systématiquement un apport ou une récupération d'énergie ce qui impose un système de motorisation. L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients précités. Elle vise, en particulier à procurer un système d'équilibrage autorégulé et d'assistance anti-inertielle dans lequel une cinématique à hauts rendements direct et inverse (le rendement direct correspond au transfert d'énergie dans le sens moteur charge, le rendement inverse correspond au sens charge moteur) donc nécessairement réversible et ayant par ailleurs une bande passante élevée, permet, notamment avec un minimum de distorsion, les trois phases suivantes : -Phase 1 : Avec un moteur asservi à vitesse nulle, d'effectuer, d'une part, la mesure de la force de déséquilibre de la pièce mobile au travers du couple qu'il génère sur son arbre quand le support de l'ensemble est fixe dans l'espace (ou ne ramène pas d'effet inertiel complémentaire sur la dite pièce) et que sa position angulaire est stabilisée dans celle correspondant au mouvement - 3 - de compliance , et, d'autre, part le blocage de la pièce mobile sur son axe de déplacement lorsque l'on n'est pas dans la partie finale d'un mouvement de compliance . Phase 2 . Le moteur délivre le couple mesuré dans la phase 1, mais n'est plus asservi en vitesse. Ainsi, si la position angulaire de la mesure précédente est respectée, on fonctionne en équilibrage autorégulé intégrant à la fois le poids de la pièce mobile et la direction du mouvement de compliance dans l'espace. En effet, le moteur (non asservi en vitesse) suit le mouvement de compliance dans sa partie finale et son couple s'oppose à celui généré par la pesanteur et l'annule. Phase 3 . Le moteur, non asservi en vitesse, va superposer au couple précédant, et simultanément, une valeur calculée à partir de la masse de la pièce mobile et de l'accélération de la partie finale de son mouvement de compliance . Ce couple va donc compenser l'effet de l'inertie de la pièce mobile dans ladite phase. Avantageusement, le passage de la phase 1 aux phases 2 et/ou 3 qui marque le début de la partie finale du mouvement de compliance se fera lorsque la première mise en contact de la pièce mobile et de son pilote provoquera sur le moteur (toujours en phase 1) un changement significatif de la valeur de son couple. Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère au dessin annexé dans lequel est représenté un système répondant 25 aux critères définis ci-devant. On reconnaît en S un support mobile se déplaçant dans l'espace et dans le temps de telle sorte qu'il peut prendre successivement toutes les positions. - 4 - Ce support porte deux guidages rectilignes 4 et 6 sur lesquels se déplace la pièce mobile 2. Cette pièce va devoir, en se déplaçant sur l'axe XX' défini par les guidages 4 et 6, faire un mouvement compliant par rapport à un pilote non représenté sur le dessin. L'axe XX' fait, par rapport à la verticale définie par le poids P de la pièce 2, un angle a quelconque et variable. Les déplacements suivant l'angle a ne sont pas coplanaires, mais se font dans l'espace. La pièce 2 est reliée à une vis à billes 8 par un écrou non représenté dont elle est solidaire. Cette vis est solidaire en rotation d'un moteur 10 par 10 un système poulies courroie crantée 12, 14 et 16. L'ensemble cinématique que représentent la vis 8 (vis à grand pas, en général dont la valeur du pas est égale au diamètre), son écrou (monté sans précontrainte car cette liaison n'est pas assujettie à des variations de couple brutales) et l'ensemble poulies courroie 12, 14 et 16, répond aux 15 critères de hauts rendements direct et inverse ainsi que de bande passante élevée de telle sorte que le moteur 10 sera à même d'assurer les 3 phases définies ci-devant à savoir la phase 1 de mesure et maintien en position et les phase 2 et 3 qui sont en fait des phases suiveuses simultanées pendant lesquelles la pièce 2 va effectuer la partie finale d'un mouvement 20 de compliance sur le pilote non représenté. Phase 1 . Le moteur asservi à vitesse nulle va maintenir à l'arrêt la vis 8. Celle-ci va donc, si le support S est fixe (ou ne ramène pas d'effet inertiel complémentaire sur la pièce 2), ramener au moteur un couple correspondant 25 à la composante F parallèle à XX' du poids P ( la composante F' étant perpendiculaire à l'axe XX'). Cette mesure va donc définir le niveau de déséquilibre compte tenu du poids P et de l'angle a. C'est le même - 5 - asservissement à vitesse nulle du moteur 10 qui va maintenir la pièce 2 fixe par rapport au support S lorsqu'on n'est pas dans la partie finale d'un mouvement de compliance . A titre indicatif, une masse de 150 kg de la pièce 2 reprise par une vis de diamètre 12,7 mm et de pas 12,7 mm ramène, sur cette vis, si XX' est parallèle à p, un couple d'une valeur de 3 Nm. Ce couple est réduit à 1 Nm si le rapport poulies courroie est de 3. On voit ainsi que le système est particulièrement léger et facile à mettre en oeuvre. Par ailleurs, ses rendements direct et inverse seront excellents et ce système aura une bande passante de plusieurs centaines de Hertz (les inerties sont de l'ordre de 10-' kg.m2 si on considère une vis de 100 mm de longueur, ce qui parait suffisant pour un mouvement de compliance ). Phase 2 . La mesure du couple, donc du courant moteur, effectuée en phase 1 et mise en mémoire va permettre de réinjecter ce courant, donc de générer ce même couple sur l'arbre moteur. Le moteur, non asservi en vitesse, et avec lui la cinématique, suivront la partie finale du mouvement de compliance de la pièce 2 et assureront l'équilibrage de cet ensemble jusqu'à l'accostage total de la pièce 2 sur son pilote. Ceci suppose bien sûr que les valeurs de P et a sont les mêmes que celles de la phase 1. Phase 3 . On superpose au couple de la phase 2, et simultanément, une composante correspondant à la charge inertielle de la pièce 2. Cette composante est proportionnelle à la masse et à l'accélération de la dite pièce. Ainsi on va compenser les efforts inertiels et faciliter d'autant la partie finale du mouvement de compliance . A l'instar de la phase 2, le moteur n'est pas asservi en vitesse. La génération de ce signal d'accélération peut - 6 - se faire en dérivant par rapport au temps les valeurs de la vitesse du moteur dans cette phase suiveuse. La détermination de la masse se faisant éventuellement par la mesure combinée de F et de a en phase 1. Ainsi, les phases 2 et 3 ne sont activées que pendant la partie finale du mouvement de compliance de la pièce 2 par rapport à son pilote ; la phase 1 est en fonction tout le reste du temps. Avantageusement, le passage de la phase 1 aux phases 2 et/ou 3, qui marque le début de la partie finale du mouvement de compliance , se fera lorsque la première mise en contact de la pièce mobile 2 et de son pilote provoquera, sur le moteur 10 (toujours en phase 1) un changement significatif de la valeur de son couple. Plus généralement, on notera que la cinématique avantageusement réalisée dans l'exemple par une vis 8 et son système à poulies courroie crantée 12, 14 et 16 peut être réalisée par tout autre système offrant les mêmes conditions de rendement et de bande passante, notamment un système pignon crémaillère avec ou sans le réducteur approprié. On notera aussi que la mesure de la force F au travers du couple qu'elle génère telle que définie dans la phase 1 va décider de la nécessité d'intégrer ou non la phase 2 et (ou) la phase 3 (avec la mesure combinée de a ) dans le mouvement de compliance . Ainsi, on peut ne pas introduire la phase 2 si XX' est perpendiculaire à p et ne conserver que la phase 3 avec le seul couple anti-inertiel. Il peut être par ailleurs possible, dans certains cas, d'utiliser la cinématique de la figure 1 pour actionner le mouvement principal du système. Ceci, sous réserve que cette polyvalence n'altère pas les caractéristiques de rendement et de bande passante du mouvement de compliance . Enfin, il est des applications dans lesquelles le mouvement principal est d'un autre ordre et ne concerne pas seulement la pièce 2. - 7 - L'axe de compliance est avant tout un système suiveur qui doit donc nécessairement avoir un niveau de performances nettement supérieur à celui requis par le mouvement principal. Précisons enfin que ce système est autonome puisqu'il génère lui-même 5 tous les signaux nécessaires à son fonctionnement. Dans beaucoup d'applications, ces appareils seront amenés à effectuer des mouvements cycliques et/ou répétitifs ; il est alors dans ce cas possible de préprogrammer les différentes valeurs de F et de a et de s'affranchir ainsi de la partie mesure de la phase 1. 10 De par ses caractéristiques propres, à savoir le contrôle d'un déséquilibre et d'une inertie variables, ce système s'adapte particulièrement bien à des applications d'assistance à la manutention. Il permet des vitesses de déplacement élevées et il est particulièrement efficace dans les phases de positionnement et/ou d'accostage. 15 Ce système, défini et analysé pour un mouvement de compliance rectiligne fonctionne également si ce mouvement est circulaire, voir quelconque. On peut alors distinguer 2 hypothèses : 1 - l'amplitude faible de ce mouvement de compliance n'entraîne pas de variations significatives des valeurs de déséquilibre et/ou d'inertie, ou 20 ces variations n'altèrent pas la qualité de ce mouvement de façon inacceptable. On reprend dans ce cas le même processus que celui défini précédemment. 2 - ces variations doivent être prises en compte et on réalise effectivement les rectificatifs au cours du mouvement de compliance . Ces 25 rectificatifs se font en analysant ces valeurs dans différentes positions successives et en effectuant en temps réel les correctifs correspondants sur les couples des phases 2 et/ou 3 du moteur 10. - 8 - Le mouvement de compliance décrit ci-devant s'entend lorsque le support S est soit arrêté, soit se déplace à vitesse constante et de telle sorte que son mouvement n'induit pas d'effet inertiel complémentaire sur la pièce 2. S'il n'en était pas ainsi, il faudrait superposer aux couples des phases 2 et 3 du moteur 10 un correctif pour intégrer cet effet. REVENDICATIONS : 1 - Système compliant à équilibrage autorégulé et à assistance anti-inertielle caractérisé en ce qu'il comprend une cinématique (8 - 12 -14 - 16) à hauts rendements direct et inverse et ayant par ailleurs une bande passante élevée afin d'assurer, entre la charge 2 et le moteur 10, un transfert d'énergie dans les deux sens avec un niveau de distorsion minimum dans les trois phases suivantes : - Dans la phase 1, le moteur 10 est asservi à vitesse nulle afin d'assurer d'une part, la mesure de la force F au travers du couple qu'elle génère sur son arbre, quand le support S est fixe dans l'espace (ou ne ramène pas d'effet inertiel complémentaire sur la pièce 2) et que l'angle a est stabilisé à la valeur du mouvement de compliance , d'autre part le blocage de la pièce 2 sur l'axe XX' lorsque l'on n'est pas dans la partie finale d'un mouvement de compliance . - Dans la phase 2, le moteur délivre le couple mesuré dans la phase 1, mais n'est plus asservi en vitesse. Ainsi, si l'angle a a la même valeur que celui mesuré dans la phase 1, on fonctionne en équilibrage autorégulé intégrant à la fois les valeurs de P et de a. En effet, le moteur (non asservi en vitesse) suit le mouvement de compliance dans sa partie finale et son couple s'oppose à celui généré par la force F et l'annule. - Dans la phase 3, le moteur, non asservi en vitesse, va superposer au couple précédant, et simultanément, une valeur calculée à partir de la masse de la pièce 2 et de l'accélération de son mouvement nécessaire à la réalisation de la partie finale du mouvement de compliance suivant l'axe XX'. Ce couple va donc compenser l'inertie de la pièce 2 dans ladite phase.-Avantageusement, le passage de la phase 1 aux phases 2 et/ou 3, qui marque le début de la partie finale du mouvement de compliance se fera lorsque la première mise en contact de la pièce mobile 2 et de son pilote provoquera, sur le moteur 10 (toujours en phase 1), un changement significatif de la valeur de son couple. 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que Le repère 8 est une vis à billes à filets roulés à grand pas et ies repères 12, 14 et 16 un ensemble poulies courroie crantée. 3 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la détermination du signal d'accélération de la pièce 2 nécessaire à la définition du couple de la phase 3 se fait en dérivant par rapport au temps les valeurs de vitesse du moteur 10 dans cette phase suiveuse. Par ailleurs, la détermination de la masse de la pièce 2 peut se faire éventuellement à partir des mesures de F et de a effectuées dans la phase 1. 4 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la mesure de la force F définie dans la phase 1 va décider de la nécessité ou non d'intégrer la phase 2 ou/et la phase 3 (avec la mesure combinée de a) dans le mouvement de compliance . 5 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la cinématique 8 - 12 - 14 - 16 et le moteur 10 assurent aussi l'entraînement principal de la pièce 2 et pas seulement son mouvement de compliance , ceci sous réserve que cette polyvalence n'altère pas les caractéristiques de rendement et de bande passante du mouvement de compliance . Et que ce mouvement principal ne soit pas d'un autre ordre et ne concerne pas seulement la pièce 2.