Brevet FR3072792A1 — publié le 20190426

SYSTEME DE POSITIONNEMENT ADAPTE A UN FONCTIONNEMENT A BASSES TEMPERATURES DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La présente invention se rapporte à un système de positionnement, pouvant notamment être utilisé dans des milieux à très basses températures, voire à des températures cryogéniques, et éventuellement et à très basses pressions, voire le vide. Par exemple dans le domaine spatial, on souhaite disposer de système de positionnement, par exemple en rotation, offrant une très grande répétabilité du positionnement et fonctionnant dans des conditions de vide et à température très basses, par exemple pour équiper les télescopes effectuant des mesures dans le domaine de l'infra-rouge ou pour les télescopes spatiaux. Il existe de nombreux systèmes de positionnement en rotation pour des applications de laboratoire. De nombreux systèmes industriels présentent une très bonne répétabilité de positionnement de quelques secondes d'arc et sont fréquemment utilisés pour des bancs de tests optiques. Cependant, lorsqu'il s'agit d'utiliser ces systèmes dans des ambiances basses températures, inférieures à -20°C, voire des températures cryogéniques, inférieures à -100°C, ces systèmes ne fonctionnent plus du fait de procédés de fabrication ou de fonctionnement inadaptés au vide et aux très basses températures. Le document Cryomechanism: a cryogenic rotating actuator. JC Barriere et al. Proceedings of ESMATS, Bilbao, 2015 décrit un actionneur rotatif adapté à un fonctionnement dans une ambiance cryogénique. Il est destiné à positionner une roue optique. L'actionneur comporte un moteur électrique pas à pas, un embrayage destiné à verrouiller dans une position angulaire donnée la roue optique. Lorsque l'embrayage est déverrouillé, le moteur déplace la roue optique à la position angulaire souhaitée. L'embrayage est ensuite verrouillé, fixant la position angulaire de la roue optique à laquelle le moteur l'a positionnée. 2 Cet actionneur donne satisfaction. Néanmoins il met en oeuvre un moteur pas à pas de type pancake présentant un grand diamètre par rapport à sa hauteur et un arbre creux. Ces moteurs sont encombrants. En outre la résolution angulaire du dispositif est limitée. De plus ces moteurs sont assez rares et sont d'un coût important. 5 Il existe également des systèmes de positionnement mettant en oeuvre un moteur pas à pas et un réducteur. En choisissant un rapport de réduction assez élevé, on peut atteindre de très bonnes performances de positionnement. Le réducteur est sans jeu ou dispose d'un système de rattrapage de jeu, afin de garantir la précision de positionnement. Cependant un tel système est peu adapté à un fonctionnement à très 10 basses températures du fait du montage sans jeu. EXPOSÉ DE L'INVENTION C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir un système de positionnement capable de fonctionner dans une large gamme de température, par exemple de -250°C à +70°C, et présentant une précision de positionnement augmentée. 15 Le but précédemment énoncé est atteint par un système de positionnement comportant une platine, de laquelle est destiné à être solidaire l'objet à positionner, un moteur destiné à déplacer la platine, un système d'indexage configuré pour fixer en position la platine et un réducteur entre le moteur et la platine, le réducteur présentant un jeu. Le système d'indexage est désactivé lorsque le moteur est actionné. 20 Ainsi le système de positionnement assure à la fois un déplacement de la platine vers une position donnée avec une précision augmentée, tout en assurant un maintien précis de cette position. La mise en oeuvre d'un réducteur permet d'augmenter le nombre de positions atteignables par la platine et donc l'objet à positionner. La présence d'un jeu angulaire dans le réducteur assure un découplage du moteur lorsque 25 des moyens d'indexage sont activés, assurant qu'aucune contre-réaction ne s'applique sur le moteur via le réducteur lorsque les moyens d'indexage sont activés. En outre, la présence de ce jeu rend la mise en oeuvre d'un réducteur possible à très basses températures sans avoir à calculer les contraintes s'exerçant sur les dents, contrairement 3 à ce qu'impose la mise en oeuvre d'un réducteur sans jeu sous vide et à basse température dans le systèmes de l'état de la technique. De manière surprenante, la mise en oeuvre d'un réducteur présentant un jeu ne nuit pas à la précision de positionnement du système de positionnement, alors 5 que de manière habituelle afin d'augmenter la précision on cherche à mettre en oeuvre des dispositifs sans jeu, la présence d'un jeu étant considéré comme impactant directement de manière négative les performances de positionnement. Le système selon l'invention offre en outre une rapidité accrue par rapport aux systèmes de positionnement avec réducteur de l'état de la technique. 10 De manière avantageuse, le système d'indexage est du type accouplement à crabot. De manière très avantageuse, le crabot met en oeuvre des dentures de Hirth. La désactivation des moyens d'indexage peut être obtenue au moyen d'un électroaimant, et l'activation des moyens d'indexage est obtenue par des moyens de 15 rappel élastique, très avantageusement formé par un soufflet à coupelles métalliques soudées. Par ailleurs, le système de l'invention permet également d'optimiser les coûts de production. En effet, la présente invention utilise des moteurs pas à pas de conception classique, i.e. ayant un diamètre inférieur ou égal à leur propre hauteur, avec 20 un arbre plein.., leur coût de revient est réduit par rapport aux moteurs de type « pancake ». En d'autres termes, le système comporte un stator et une partie mobile à positionner, la partie mobile étant déplacée dans une position souhaitée par un moteur et un réducteur avec jeu et est maintenue dans cette position par un système d'indexage. 25 Ainsi selon l'invention, le moteur est activé pour positionner la partie mobile, le système d'indexage est inactif et ne nuit pas au fonctionnement du moteur. Lorsque l'objet a été placé dans la position souhaitée, le système d'indexage est activé, et se positionne en parallèle du moteur, et se substitue à celui-ci. Le système d'indexage se positionne ainsi en aval du stator et en amont de la partie mobile. En se substituant à la branche moteur+réducteur, il garantit les performances de positionnement indépendamment des 4 performances de positionnement de l'ensemble moteur+réducteur, ainsi le jeu dans le réducteur ne nuit pas au maintien précis de la partie mobile. Le jeu fonctionnel du réducteur permet de découpler artificiellement la partie mobile du moteur. Le positionnement final de la partie mobile est alors assuré par le système d'indexage qui 5 assure un positionnement discret. Le système de positionnement selon l'invention permet un positionnement discret d'un objet par rapport à un support. Par exemple, il comporte un premier élément relié au support par des premiers moyens de guidage et est apte à être relié mécaniquement à un objet à déplacer, le déplacement dudit premier élément étant 10 commandé par un moteur. Le système comporte également un deuxième élément mobile relié audit support par des deuxièmes moyens de guidage et apte à se déplacer entre une position de repos, dans laquelle il bloque le premier élément mobile, et une position active dans laquelle il laisse libre ledit premier élément mobile, le déplacement de ce deuxième élément mobile étant assuré par des moyens de commande, par exemple 15 magnétiques, tels que un ou des électroaimants, électriques, piézoélectriques. Un réducteur avec jeu est prévu ente entre le moteur et le premier élément mobile, le jeu permettant d'empêcher une contreréaction entre le système d'indexage et le moteur. La présente invention a alors pour objet un système de positionnement comportant un bâti et une platine, ladite platine étant montée mobile par rapport au bâti, 20 ladite platine étant apte à supporter un objet à positionner, des moyens de déplacement de la platine par rapport au bâti vers une position souhaitée, et un système d'indexage en position de la platine par rapport au bâti, les moyens de déplacement comportant un moteur pas à pas et un réducteur, ledit réducteur présentant un jeu angulaire et le système d'indexage comportant des moyens pour rendre inactif l'indexage en position de 25 ladite platine pendant le fonctionnement des moyens de déplacement. De préférence, le jeu angulaire du réducteur est supérieur à la résolution angulaire à l'ensemble moteur et réducteur. Le jeu angulaire du réducteur est par exemple supérieur à 0,2°. Dans un exemple de réalisation, les moyens d'indexage en position 30 comportent des moyens d'accouplement à crabot répartis entre la platine et un plateau, 5 ledit plateau étant configuré pour se rapprocher et s'éloigner de la platine afin d'immobiliser en position ou libérer la platine respectivement, et des moyens assurant le déplacement en rapprochement ou en éloignement du plateau par rapport à la platine.. De manière avantageuse, les moyens d'accouplement à crabot 5 comportent des dentures de Hirth. Par exemple, les dentures de Hirth sont réalisées chacune dans un matériau, les matériaux présentant des coefficients de dilatation proches ou égaux. Dans un exemple avantageux, les moyens assurant le déplacement en rapprochement ou en éloignement du plateau par rapport à la platine comportent un 10 moyen de rappel élastique interposé ente le plateau et le bâti de sorte à exercer une force de rappel sur le plateau en direction de la platine. De manière préférée, le moyen de rappel élastique comporte un soufflet à coupelles métalliques soudées assurant le rapprochement du plateau de la platine. 15 Les moyens assurant le déplacement en rapprochement ou en éloignement du plateau par rapport à la platine comportent un électroaimant assurant l'éloignement du plateau par rapport à la platine. Par exemple, tout ou partie des éléments du réducteur, de la platine, du plateau et des moyens d'accouplement sont en acier inoxydable et/ou en acier et/ou en 20 bronze et/ou en alliage à base de cuivre et/ou d'aluminium et ou de titane. De manière très avantageuse, au moins les éléments mobiles les uns par rapport aux autres comportent un revêtement lubrifiant choisi avantageusement parmi du bisulfure de molybdène, du plomb, de l'argent, du nitrure de titane. Le réducteur peut comporter des pignons à denture droite. 25 Dans un exemple de réalisation, la platine est mobile en rotation par rapport au châssis autour d'un axe longitudinal. Le réducteur peut comporter un pignon en prise direct avec un arbre du moteur, une couronne dentée fixé sur la platine et engrenant le pignon et le plateau des moyens d'indexage en position peut être mobile en translation le long de l'axe 30 longitudinal. 6 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'une vue en coupe 5 d'un système de positionnement selon un exemple de la présente invention, dans un état repos, i.e. en position stable et répétable - la figure 2 est une vue en coupe du système de la figure 1 en position active, i.e. en cours de déplacement, - la figure 3 est une représentation d'un système d'accouplement à 10 dents de Hirth, - la figure 4 est une représentation schématique d'un autre exemple de système d'indexage pouvant être mis en oeuvre dans le système selon l'invention, - la figure 5 est une vue de côté d'un autre exemple de réalisation d'un réducteur pouvant être mise en oeuvre dans le système de positionnement selon 15 l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La description qui va suivre va décrire en détail un système de positionnement angulaire, mais la présente invention peut être mise en oeuvre dans un système de positionnement axial ou linéaire. 20 Sur les figures 1 et 2, on peut voir des vues dans un état repos et un état activé d'un exemple d'un système de positionnement, représenté schématiquement. Le système de positionnement est destiné à positionner angulairement un objet 0 fixé sur une platine 2 du système. La platine 2 est destinée à être mise en rotation autour d'une axe X. 25 Le système comporte des éléments fixes et des éléments destinés à être déplacés, dont fait partie la platine 2. Les éléments fixes sont fixés sur un bâti 4 et les éléments destinés à être déplacés sont déplacés par rapport au bâti 4. 7 Le système comporte un moteur électrique rotatif pas à pas 6, un réducteur 8 entre le moteur 6 et la platine 2. Le réducteur 8 présente un jeu j, supérieur à 0,10 pour l'exemple donné ; comme nous le verrons pas la suite, le jeu du réducteur est défini par l'amplitude angulaire avec laquelle la platine 2 peut tourner alors que le moteur 5 6 est immobile. A titre d'exemple, le moteur est un moteur de modèle Phytron VSS 32.200.0.6®. Ce moteur pas à pas présente l'avantage d'être compatible avec une utilisation jusqu'à une pression de 10-9mbar et à température jusqu'à 4K. Par exemple, ce moteur pas à pas possède 200 pas par tour et dispense un couple de 50mN.m à 0,6A. 10 Le système comporte des moyens de guidage 14 en rotation de la platine 2 autour de l'axe X. Les moyens de guidage 14 sont, dans l'exemple représenté, formés par une paire de roulements à billes. De préférence, les roulements à billes sont à contact oblique, montés en « 0 ». Dans l'exemple représenté, les roulements à billes sont maintenus sur 15 leur diamètre extérieur par le bâti, et sur leur diamètre intérieur, par la platine 2. De préférence, le matériau du bâti, le matériau de la platine et des roulements sont choisis de sorte à garantir le maintien des jeux fonctionnels entre la température ambiante, à laquelle le système est assemblé, et les températures cryogéniques auxquelles le système est susceptible de fonctionner. 20 Pour cela, on choisit des matériaux pour le bâti et la platine ayant des coefficients de dilatations proches ou égaux de celui du matériau des roulements à billes. De préférence, pour une application cryogénique, on choisit des roulements adaptés, par exemple en acier inoxydable 440C ou en acier 52100 revêtus d'une couche de bisulfure de molybdène. Une telle couche peut être déposée par dépôt 25 physique en phase vapeur ou PVD (Physical vapor deposition en terminologie anglo- saxonne). Avantageusement, une couche de bisulfure de molybdène est déposée à la fois sur les pistes et sur les billes, ce qui permet d'augmenter la durée de vie des roulements. Les cages des roulements à bille peuvent être réalisées en PTFE renforcé par de la fibre de verre et chargé en bisulfure de molybdène ou PGM-HT (PTFE, Glass fiber & Molybdenum 30 Disulphide en terminologie anglo-saxonne). 8 En variante, des revêtements au plomb, au carbure de titane, à l'argent, à l'or peuvent être utilisés comme lubrifiants entre les différentes pièces du système. Ces revêtements sont appliqués en couches très fines (quelques microns) sur des pièces en acier. 5 Le choix du matériau assurant la lubrification est fonction des conditions d'utilisations, par exemple en tenant compte des conditions au niveau des contacts entre les pièces qui frottent entre elles. Peuvent être pris en compte les pressions de contact, le fait d'avoir des chocs ou pas, la durée de vie attendue, les vitesses de déplacement d'une pièce par rapport à l'autre... 10 Dans le cas d'une application à des températures supérieures à -50°C, on peut utiliser une huile ou une graisse comme lubrifiant. En variante, selon les chargements axiaux ou radiaux, des roulements à 4 points de contact ou des roulements à rouleaux cylindriques peuvent aussi convenir. Par exemple, si les roulements sont en acier inoxydable 440C, le bâti et 15 la platine peuvent être en acier inoxydable 15-5PH, en 17-7PH ou en 431 avec un traitement thermique H1025, dont les caractéristiques mécaniques permettent l'usinage de pièce de précision et garantit un coefficient de dilatation très proche de celui du 440C. Un traitement thermique H1025 signifie un traitement thermique au-dessus de 1025°F (Hardened above 1025°F). 20 Ci-dessous sont données les désignations des différents matériaux dans les normes UNS et européennes. 440C= UNS-544004= EN 1.4125 15-5Ph= UNS-515500=EN1.4545 17-7Ph=UNS-517700=EN1.4568 25 431=UNS-543100=EN1.4057 52100=UN552986=EN1.3514 Le réducteur 8 comporte un pignon 10 en prise directe avec l'arbre 12 du moteur 6, et un pignon intérieur 14 engrenant le pignon 12 fixé à la platine 2. 9 Dans l'exemple représenté, la platine comporte une couronne 2.1 d'axe X, à laquelle est fixée une couronne 16 portant le pignon intérieur. La couronne 16 est d'axe X. Par exemple, le pignon 10 et le pignon intérieur 14 sont à denture 5 droite. A titre d'exemple, on peut choisir un pignon droit de module 0,4 à 15 dents et un pignon à denture intérieure de module 0,4 à 200 dents. Le réducteur présente alors un rapport de réduction d'environ 1/13,3. Ainsi réalisé, l'ensemble moteur et réducteur permet théoriquement de 10 positionner la platine suivant 2666 positions angulaires différentes par tour, soit une résolution angulaire de 0,13°. Dans cet exemple, le couple utile sur le rotor est de l'ordre de 500 mN.m. De préférence, le choix du nombre de dents sur le pignon 10 et du pignon intérieur 14, ainsi que leur module sont tels que le rapport de réduction soit entre 15 1/10 et 1/20. De manière avantageuse, avec un réducteur ayant un rapport de réduction entre 1/10 et 1/20, la vitesse de positionnement de la platine est élevée, en quelques secondes la platine peut atteindre la position souhaitée. Le choix du rapport de réduction dépend du couple du moteur et du couple de sortie souhaitée, et de la vitesse d'actionnement du dispositif souhaitée. 20 Dans cet exemple, le jeu angulaire du réducteur est d'environ 0,2°. Le jeu du réducteur est au moins égal à la résolution angulaire de l'ensemble moteur et réducteur. De préférence, les dentures des pignons 10, 14 du réducteur sont recouvertes d'une couche de bisulfure de molybdène, permettant un fonctionnement à la 25 fois à température ambiante et aux températures cryogéniques. De préférence, le matériau du pignon intérieur est choisi de sorte à présente un coefficient de dilatation thermique identique à celui de la platine. Par exemple, lorsque la platine est en acier 15-5PH, le pignon intérieur est réalisé en acier 17-7PH avec le traitement thermique H1025, ce matériau possédant 10 une dureté suffisante pour y tailler les dentures d 'un engrenage et possède un coefficient de dilatation thermique quasi identique à celui du 15-5PH. Le système de positionnement comporte également des moyens d'indexage 18 de la position de la platine 2 par rapport au bâti, i.e. des moyens destinés à 5 maintenir la platine dans un position donnée, à laquelle la platine a été amenée par l'ensemble moteur-réducteur. Les moyens d'indexage seront avantageusement sans jeu ou le cas échéant, ayant un jeu significativement inférieur à la précision de positionnement angulaire souhaitée. Les moyens d'indexage 18 sont par exemple de type crabot. 10 Dans l'exemple représenté, ils comportent des dents fixes en rotation sur le bâti et des rainures fixes en rotation sur la platine, les dents coopérant avec les rainures. Les rainures sont délimitées par deux dents ayant le même profil que les dents fixes en rotation sur le bâti. Dans l'exemple représenté, les moyens d'indexage comportent un 15 plateau 20 portant sur une face des dents (non représentées) reparties en couronne et des dents (non représentées) réparties sur une couronne sur une face de la platine 2, en regard de la face du plateau 20 portant les dents. Dans l'exemple représenté, les dents solidaires de la platine sont réalisées sur une couronne 25 rapportée et fixée sur la platine, par exemple par le biais d'un assemblage vissé et/ou collé. 20 Les dents de la platine et du plateau ont le même profil de sorte que, lorsqu'elles sont en prises, les moyens d'indexage assurent une immobilisation sans jeu de la platine 2 par rapport au plateau 20. Le plateau 20 est monté mobile en translation le long de l'axe X, de sorte à pouvoir se rapprocher de la platine 2 et permettre une mise en prise des dents du 25 plateau et des dents de la couronne 25 , ou s'écarter de la platine pour désengager les dents du plateau de celles de la couronnes. De manière préférée, les dents sont des dents de Hirth assurant un maintien sans jeu entre le plateau et la platine. Un exemple de dents de Hirth 30 est représenté sur la figure 3. Les dents de Hirth sont usinées radialement avec un point de 30 convergence unique au centre C. 11 Par exemple, le plateau et la platine peuvent comporter 120 dents sur leur périphérie. Les dentures de Hirth sont « auto-centrantes », ce qui signifie que lors de l'engagement des dents, puisque les dents sont fixes, la couronne portant les dents va pivoter pour se centrer entre les dents. Le nombre de dents des moyens d'indexage fixe 5 le nombre de positions possibles dans lesquelles la platine peut être maintenue en position pas les 120 dents de Hirth. La valeur limite supérieure du jeu angulaire du réducteur est choisie en fonction de la géométrie des moyens d'indexage. Par exemple, dans le cas d'un réducteur à denture de Hirth, le jeu sera 10 au maximum de 1/4 du pas angulaire des dentures. En choisissant un moteur à 200 pas par tour et un réducteur 15/200 et un système d'indexage à 120 positions, i.e. une dent tous les 3° Le jeu angulaire du réducteur est au moins égal à 360/(200x200/15)=0,135°. Le jeu angulaire du réducteur est inférieure ou égale à 1/4 x 15 3°=0,75°. 0,135° REVENDICATIONS1. Système de positionnement comportant un bâti (4) et une platine (2), ladite platine (2) étant montée mobile par rapport au bâti (4), ladite platine (2) étant apte à supporter un objet à positionner, des moyens de déplacement de la platine par rapport au bâti vers une position souhaitée, et un système d'indexage en position de la platine (2) par rapport au bâti, les moyens de déplacement comportant un moteur pas à pas (6) et un réducteur (8), ledit réducteur (8) présentant un jeu angulaire et le système d'indexage (18) comportant des moyens pour rendre inactif l'indexage en position de ladite platine (2) pendant le fonctionnement des moyens de déplacement. 2. Système de positionnement selon la revendication 1, dans lequel le jeu angulaire du réducteur (8) est supérieur à la résolution angulaire à l'ensemble moteur et réducteur. 3. Système de positionnement selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le jeu angulaire du réducteur (8) est supérieur à 0,2°. 4. Système de positionnement selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les moyens d'indexage en position (18) comportent des moyens d'accouplement à crabot répartis entre la platine (2) et un plateau (20), ledit plateau (20) étant configuré pour se rapprocher et s'éloigner de la platine (2) afin d'immobiliser en position ou libérer la platine respectivement, et des moyens assurant le déplacement en rapprochement ou en éloignement du plateau (20) par rapport à la platine (2). 5. Système de positionnement selon la revendication 4, dans lequel les moyens d'accouplement à crabot comportent des dentures de Hirth. 19 6. Système de positionnement selon la revendication 5, dans lequel les dentures de Hirth sont réalisées chacune dans un matériau, les matériaux présentant des coefficients de dilatation proches ou égaux. 5 7. Système de positionnement selon l'une des revendications 4 à 6, dans lequel les moyens assurant le déplacement en rapprochement ou en éloignement du plateau (20) par rapport (2) à la platine comportent un moyen de rappel élastique interposé ente le plateau et le bâti de sorte à exercer une force de rappel sur le plateau (20) en direction de la platine (2). 10 8. Système de positionnement selon la revendication 7, dans lequel le moyen de rappel élastique comporte un soufflet à coupelles métalliques (26) soudées assurant le rapprochement du plateau de la platine. 15 9. Système de positionnement selon l'un des revendications 4 à 8, dans lequel les moyens assurant le déplacement en rapprochement ou en éloignement du plateau (20) par rapport (2) à la platine comportent un électroaimant (28) assurant l'éloignement du plateau (20) par rapport à la platine (2). 20 10. Système de positionnement selon l'une des revendications 4 à 9, dans lequel tout ou partie des éléments du réducteur (8), de la platine (2), du plateau (20) et des moyens d'accouplement sont en acier inoxydable et/ou en acier et/ou en bronze et/ou en alliage à base de cuivre et/ou d'aluminium et ou de titane. 25 11. Système de positionnement selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel au moins les éléments mobiles les uns par rapport aux autres comportent un revêtement lubrifiant choisi avantageusement parmi du bisulfure de molybdène, du plomb, de l'argent, du nitrure de titane. 20 12. Système de positionnement selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel le réducteur (8) comporte des pignons (10, 14) à denture droite. 13. Système de positionnement selon l'une des revendications 5 précédentes, dans lequel la platine (2) est mobile en rotation par rapport au châssis (4) autour d'un axe longitudinal (X). 14. Système de positionnement selon la revendication 13, dans lequel le réducteur comporte un pignon (10) en prise direct avec un arbre du moteur (6), une 10 couronne dentée (16) fixé sur la platine (2) et engrenant le pignon (10) et dans lequel le plateau (20) des moyens d'indexage en position (18) est mobile en translation le long de l'axe longitudinal (X).