Brevet FR2917988A1 — publié le 20090102

La présente invention concerne le domaine technique des appareils de manipulation au sens général adaptés pour être utilisés dans de nombreux domaines comme par exemple l'usinage, la manipulation, la robotique et la mesure. Dans le domaine de la mesure tridimensionnelle, il est connu différentes architectures d'appareil de manipulation. Par exemple, il est connu de réaliser un appareil sous la forme d'un portique présentant une grande stabilité et simplicité des mouvements pour la tête de mesure. La demande de brevet WO 2006/077018 décrit un exemple de réalisation d'un appareil de mesure sous la forme d'un portique. Le principal inconvénient de cette solution est son encombrement et sa masse. Il est connu également de réaliser un appareil de manipulation sous la forme de bras articulés comportant une pluralité d'axes d'articulation. Par exemple, la demande de brevet FR 2 884 910 décrit un appareil manuel de mesure tridimensionnelle comportant une série de tubes aboutés et articulés entre eux. L'inconvénient principal de ce type de bras a trait à la difficulté d'accéder à la partie arrière de la pièce à mesurer, par rapport à l'embase fixe du bras. Par ailleurs, le déplacement de ce bras est manuel. Il est connu aussi de motoriser ce bras pour obtenir un déplacement automatisé. L'inconvénient majeur de ces bras motorisés polyarticulés réside dans la complexité de la programmation des déplacements de la tête de travail. De plus, le moment cinétique d'un tel bras est important, ce qui entraîne une limitation du poids de la tête de travail. Le document DE 35 450 008 décrit une structure de support d'un arceau monté pivotant selon un axe vertical. Une tête de mesure est guidée en déplacement sur l'arceau. Si cette structure s'avère plus légère par rapport aux structures du type bras ou portique, l'inconvénient principal de cette solution concerne son impossibilité à effectuer des mesures continues dans un plan complet de l'espace. La présente invention vise donc à remédier aux inconvénients de l'état de la technique en proposant une nouvelle architecture pour un appareil de manipulation, caractérisée par sa légèreté et son encombrement limité tout en permettant une large gamme de déplacement pour la tête de travail. Pour atteindre un tel objectif, l'appareil de manipulation selon au moins deux axes comporte : - une structure de support pour un arceau mobile possédant un axe longitudinal présentant un rayon de courbure s'étendant dans un plan, l'arceau mobile étant équipé d'une tête de travail, - et des moyens de déplacement de l'arceau mobile. Selon l'invention, l'arceau est monté sur la structure de support à l'aide de moyens de support et de guidage en translation et les moyens de déplacement assurent la translation de l'arceau selon son axe longitudinal pour obtenir le déplacement de la tête de travail au moins dans un plan. Selon une variante préférée de réalisation, la tête de travail est montée sur un chariot monté coulissant sur l'arceau et relié à un système de déplacement le long de l'arceau. Selon un exemple de réalisation, les moyens de déplacement comportent au moins une biellette articulée à chacune de ses extrémités par un pivot libre d'une part à l'arceau, et d'autre part à un actionneur. Par exemple, les moyens de déplacement comportent un actionneur linéaire relié à la biellette par un pivot libre pour assurer le déplacement de la biellette. Avantageusement, la structure de support comporte une poutre sur laquelle l'arceau est monté par le pivot libre, la poutre étant portée par une colonne porteuse s'étendant selon l'axe vertical. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemple non limitatif, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. Les Figures 1 et 2 sont des vues en perspective d'un premier exemple de réalisation d'un appareil de manipulation illustré selon deux angles de vue différents. La Figure 3 est une vue en coupe transversale prise sensiblement selon les lignes A-A de la Fig. 2. Les Figures 4 à 8 sont des vues de côté montrant différentes positions caractéristiques pour l'appareil de manipulation conforme à l'invention. Les Figures 9 et 10 sont des vues en perspective illustrant selon deux angles différents, un autre exemple de réalisation d'un appareil de manipulation conforme à l'invention. Les Figures 11 et 12 sont des vues en perspective illustrant selon deux angles différents un autre exemple de réalisation d'un appareil de manipulation conforme à l'invention. La Figure 13 illustre une autre variante d'utilisation d'un appareil de manipulation conforme à l'invention. Tel que cela ressort plus précisément des Fig. 1 à 8, l'objet de l'invention concerne un appareil de manipulation 1 assurant le déplacement d'une tête de travail 2 au sens général. Par exemple, la tête de travail 2 peut être une tête de mesure, d'usinage ou de manipulation en étant pourvue d'un capteur, d'un actionneur et/ou d'un porte-outil. L'appareil 1 comporte une structure de support 3 pour un arceau mobile 4 équipé de la tête de travail 2. L'appareil 1 comporte également des moyens de déplacement 6 de l'arceau mobile 4 permettant ainsi de positionner la tête de travail 2 dans une position souhaitée par rapport à la structure de support 3. Par convention, il est défini un repère orthonormé x,y,z avec z l'axe vertical, pour décrire les divers éléments constitutifs de l'appareil 1 conforme à l'invention. L'arceau mobile 4 représenté par un axe longitudinal A-A' possède un rayon de courbure déterminé s'étendant dans un plan défini par les axes y et z. En d'autres termes, l'arceau mobile 4 est positionné de manière que son rayon de courbure se trouve situé dans le plan y,z et présente un centre de courbure non représenté qui se trouve également situé dans le plan y,z. Dans l'exemple illustré l'arceau mobile 4 s'étend selon un arc de cercle sur une plage angulaire de l'ordre de 120 . Bien entendu, il peut être prévu que l'arceau s'étende sur une plage circulaire plus ou moins grande. De même, l'arceau mobile 4 peut comporter une portion en arc de cercle prolongé ou non par une portion droite. De plus, il peut être envisagé que l'arceau mobile 4 possède un rayon de courbure différent d'un arc de cercle comme un segment d'ellipse par exemple. Tel que cela ressort plus précisément de la Fig. 3, l'arceau 4 est réalisé par un profilé de section droite transversale en I positionné de manière que l'âme 4a du profilé délimite de part et d'autre des faces arrières 41 et avant 42 s'étendant dans le plan y,z. Conformément à l'invention, l'arceau mobile 4 est monté sur la structure de support 3 à l'aide de moyens 7 de support et de guidage en translation. Ces moyens 7 permettent d'assurer le déplacement en translation ou en coulissement de l'arceau mobile 4 selon son axe longitudinal A-A'. Dans l'exemple de réalisation illustré aux Fig. 1 à 8, les moyens de support et de guidage 7 comportent un pivot libre 8 assurant le montage de l'arceau mobile 4 sur la structure de support 3. Le pivot libre 8 est réalisé de toute manière appropriée et s'étend selon un axe horizontal x perpendiculaire aux axes y et z. Le pivot libre 8 autorise ainsi le pivotement de l'arceau 4 selon l'axe x. Dans l'exemple illustré, les moyens de support et de guidage 7 comportent également un patin 11 porté par le pivot libre 8 et coopérant avec un rail courbe 12 fixé sur l'arceau 4 par exemple sur la face arrière 41 de l'arceau. Le patin 11 possède une section droite transversale en forme de c ou en oméga pour assurer le support ou le maintien de l'arceau 4. Bien entendu, les moyens de support et de guidage 7 peuvent être réalisés de manière différente. Par exemple, les moyens de support et de guidage 7 peuvent être réalisés par un système mécanique permettant d'effectuer une translation selon l'axe z et une translation selon l'axe y. Par exemple, ces moyens de support et de guidage 7 peuvent être réalisés par un système à galets. Dans l'exemple illustré aux Fig. 9 et 10, les moyens de support et de guidage 7 comportent deux pivots libres 81,82 assurant le montage de l'arceau mobile 4 sur la structure de support 3. Selon cet exemple de réalisation, les pivots libres 81,82 autorisent le déplacement de l'arceau mobile 4 selon son rayon de courbure qui est circulaire. Chaque pivot libre 81,82 porte un patin respectivement 111,112 coopérant avec le rail courbe 12 tel que décrit ci-dessus. Selon la variante de réalisation illustrée aux Fig. 1 à 8, le pivot libre 8 est monté à l'extrémité libre d'une poutre 30 faisant partie de la structure de support 3. Cette poutre 30 est portée par une colonne porteuse 31 s'étendant selon l'axe vertical z. Selon une caractéristique préférée de réalisation, la colonne porteuse 31 est munie d'un chariot mobile 33 coulissant le long de la colonne porteuse 31. Le chariot 33 est pourvu de la poutre 30 et se trouve guidé en translation verticale par une glissière 35 ménagée le long de la colonne porteuse 31. Le chariot 33 est déplacé en translation par un organe moteur 34. Il est à noter qu'il peut être prévu de monter la poutre 30 sur le chariot 33 directement sans mouvement ou à l'aide d'un pivot libre permettant un pivotement de la poutre 30 par rapport au chariot. Dans le même sens, il peut être prévu de réaliser la poutre 30 de manière extensible ou télescopique. La colonne porteuse 31 est montée sur un système fixe ou comme illustré, sur un système de déplacement 36 selon la direction x. Par exemple, le système de déplacement 36 comporte un chariot 37 à partir duquel s'élève la colonne porteuse 31. Ce chariot 37 est guidé en déplacement selon l'axe x par un rail 38 et se trouve commandé en déplacement par un organe moteur 39. L'arceau 4 et par suite la tête de travail 2 peut ainsi être déplacé selon l'axe x par le système de déplacement 36 et selon l'axe z par le chariot motorisé 33. Dans le plan y,z, l'arceau 4 est déplacé par les moyens de déplacement 6 assurant la translation de l'arceau 4 selon son axe longitudinal, en agissant sur l'une des extrémité de l'arceau 4. Un effort de poussée exercé sur l'une des extrémités de l'arceau 4 conduit à rapprocher cette extrémité, du pivot libre 8 tandis qu'un effort de traction exercée sur cette extrémité conduit l'autre extrémité de l'arceau à se rapprocher du pivot libre 8. L'arceau 4 est donc apte à être déplacé dans le plan y,z, selon une course correspondant à l'axe ou au rayon de courbure de l'arceau pris sensiblement entre ses extrémités. Dans l'exemple de réalisation illustré aux Fig. 1 à 8, les moyens de déplacement 6 comportent au moins une biellette 60 montée pivotante sur un pivot libre 61 et articulée à chacune de ses extrémités par un pivot libre 62,63 respectivement à l'arceau 4 et à un actionneur 64 monté également sur un pivot libre non représenté. Par exemple, l'actionneur 64 est un actionneur linéaire telle une tige commandée en déplacement linéaire permettant d'assurer le pivotement selon le pivot libre 61 de la biellette 60 et, par suite le déplacement de l'arceau 4 selon son rayon de courbure tel que cela apparaît clairement en comparant les Fig. 5 et 6. Avantageusement, les moyens de déplacement 6 comportent également au moins un actionneur linéaire 65 relié à la biellette 60 par le pivot libre 61. L'actionneur 65 comporte dans l'exemple illustré un chariot 66 guidé en déplacement vertical selon l'axe z par un rail 67 monté sur la colonne porteuse 31. Le chariot 66 est déplacé par un organe moteur 68 de tout type connu. Le chariot 66 se trouve ainsi équipé du pivot libre 61 et de l'actionneur linéaire 64. L'actionneur 65 permet ainsi d'assurer le déplacement linéaire de la biellette 60 selon l'axe vertical z. Dans la mesure où le pivot libre 8 sur lequel est monté l'arceau 4 est situé en dehors de la trajectoire verticale de l'actionneur, le déplacement de l'actionneur 65 permet de modifier la distance relative entre le pivot 62 et le pivot libre 8. Dans l'exemple illustré, les moyens de déplacement 6 comportent d'une part, l'actionneur 64 permettant d'assurer le rapprochement selon l'axe y de l'extrémité 62 par rapport au pivot libre 8 et d'autre part, l'actionneur 65 assurant le rapprochement ou l'éloignement selon l'axe vertical z, de l'extrémité 62 par rapport au pivot libre 8. Selon une caractéristique avantageuse de réalisation, les moyens de déplacement 6 combinent ces deux mouvements afin d'obtenir un déplacement optimisé de l'arceau 4 par rapport à la structure de support 3. Une description détaillée va être effectuée en relation des Fig. 4 à 8 pour décrire le fonctionnement des moyens de déplacement 6 permettant d'obtenir une grande course de l'arceau 4 et par suite de la tête de travail 2. A partir de la position illustrée à la Fig. 4, l'actionneur 65 peut être commandé en déplacement vertical vers le haut afin de raccourcir la distance selon l'axe z entre le pivot mobile 62 et le pivot libre 8 pour atteindre la position illustrée à la Fig. 5. Entre ces deux positions, l'arceau 4 a été déplacé selon son axe longitudinal A-A' de manière à éloigner la tête de travail 2 par rapport à la structure de support 3. A partir de cette position, l'actionneur linéaire 64 peut être commandé pour assurer le basculement de la biellette 60 de manière à rapprocher le pivot 62 du pivot libre 8 (Fig. 6). Dans la position illustrée à la Fig. 6, l'arceau 4 a été déplacé en éloignement par rapport à la structure de support 3. A partir de cette position, l'actionneur 65 peut être commandé pour déplacer la biellette dans le sens vertical de montée permettant de rapprocher encore le pivot 62 du pivot libre 8 (Fig. 7). L'actionneur linéaire 64 peut alors être commandé pour assurer le pivotement de la biellette 60 dans le sens du rapprochement du pivot 62 par rapport au pivot libre 8 (Fig. 8). Il doit être compris que les moyens de déplacement 6 permettent par le pilotage de l'un et/ou de l'autre des actionneurs 64 et 65 d'assurer le déplacement relatif de l'arceau mobile 4 et par suite de la tête de travail 2 par rapport à la structure de support 3. Selon une caractéristique préférée de réalisation, la tête de travail 2 est montée mobile le long de l'arceau 4. A cet effet, la tête de travail 2 est montée sur un chariot 40 (Fig. 1) monté coulissant sur l'arceau 4 et relié à un système de déplacement 41. Par exemple, le système de déplacement 41 comporte un moteur relié par une transmission du type courroie-poulie au chariot 40 qui est guidé en coulissement dans un rail 43 fixé sur la face avant 42 de l'arceau 4. Bien entendu, la tête de travail 2 peut être motorisée par un système de déplacement 41 différent. Bien entendu, les moyens de déplacement 6 décrits en relation des Fig. 1 à 8 peuvent être réalisés de manière différente. Dans l'exemple illustré aux Fig. 9, 10, les moyens de déplacement 6 sont réalisés par une bande fixée aux deux extrémités de l'arceau et motorisée par une partie menante appelée communément chariot autoporteur. Les Fig. 11 et 12 illustrent une autre variante de réalisation des moyens de déplacement 6. Selon cette variante de réalisation, les moyens de déplacement 6 sont réalisés par un chariot 70 guidé en déplacement sur un rail courbe 71 présentant un rayon de courbure identique au rayon de courbure de l'arceau 4. Par exemple, ce rail 71 est fixé sur une plaque 72 montée sur la colonne porteuse 31. Le chariot 70 est entraîné en déplacement selon le rail de guidage courbe par une transmission par exemple du type à bande ou à courroie actionnée par un organe moteur 74. Dans les exemples de réalisation illustrés ci-dessus, l'appareil de manipulation est porté par une structure de support reposant sur un bâti ou sur le sol. Bien entendu, il peut être envisagé que l'arceau 4 se trouve suspendu par rapport à une zone de travail. Tel que cela ressort dans l'exemple illustré à la Fig. 13, la structure porteuse 3 est montée sur un châssis 80 à l'aide d'un pivot d'axe vertical 81 autorisant la rotation de l'arceau 4 autour de l'axe vertical z. Selon une caractéristique préférée de réalisation, tous les organes moteurs et/ou actionneurs sont des moto-réducteurs électriques, mais bien entendu ils peuvent être réalisés de manière différente. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Appareil de manipulation selon au moins les axes (y, z) comportant : -une structure de support (3) pour un arceau mobile (4) possédant un axe longitudinal (A-A') présentant un rayon de courbure s'étendant dans un plan (y, z), l'arceau mobile (4) étant équipé d'une tête de travail (2), -et des moyens de déplacement de l'arceau mobile (4), caractérisé en ce que l'arceau (4) est monté sur la structure de support (3) à l'aide de moyens de support et de guidage en translation (7) et en ce que les moyens de déplacement (6) assurent la translation de l'arceau (4) selon son axe longitudinal (A-A') pour obtenir le déplacement de la tête de travail au moins dans un plan (y, z). 2 - Appareil de manipulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tête de travail (2) est montée sur un chariot (40) monté coulissant sur l'arceau et relié à un système (41) de déplacement le long de l'arceau. 3 - Appareil de manipulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de support et de guidage (7) comportent au moins un pivot libre (8) portant un patin (11) coopérant avec un rail de guidage (12) fixé sur l'arceau. 4 - Appareil de manipulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de déplacement (6) comportent au moins une biellette (60) articulée à chacune de ses extrémités par un pivot libre (62,63) d'une part à l'arceau (4), et d'autre part à un actionneur (64). 5 - Appareil de manipulation selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de déplacement (6) comportent un actionneur linéaire (65) relié à la biellette (60) par un pivot libre (61) pour assurer le déplacement de la biellette (60). 6 - Appareil de manipulation selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la structure de support (3) comporte une poutre (30) sur laquelle l'arceau (4) est monté par le pivot libre, la poutre étant portée par une colonne porteuse (31) s'étendant selon l'axe vertical (z). 7 - Appareil de manipulation selon la revendication 6, caractérisé en ce que la colonne porteuse (31) est munie d'un chariot motorisé (33) coulissant le long dela colonne (31) et sur lequel la poutre (30) est montée permettant de déplacer l'arceau (4) selon l'axe vertical (z). 8 - Appareil de manipulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure porteuse (3) est montée autour d'un pivot d'axe vertical (81) autorisant 5 la rotation de l'arceau (4) autour de l'axe vertical (z). 9 - Appareil de manipulation selon la revendication 8, caractérisé en ce que la colonne porteuse (31) est montée sur un système de déplacement (36) selon la direction (x). 10 - Appareil de manipulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que 10 l'arceau mobile (4) comporte une partie en arc de cercle prolongée ou non par une partie droite, l'arceau mobile (4) possédant une section droite transversale en I.