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CA 02328311 2000-10-12
WO 99152684 PCT/FR99/00880
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MACHINE PORTE-OUTILS A ENTRAINEMENT ROTATIF
SANS REACTION DE COUPLE
La présente invention concerne les machines porte-outils, par
S 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.
IO Qu'il soit tenu par la main de l'opérateur ou par ie 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 Taxe central correspondant au couple maximal délivré par la
15 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, i! est possible de déterminer par
modélisation les enveloppes des positions de fonctionnement admissibles
20 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
25 des logiciels d'asservissement.
La démarche suivie par fa présente invention est différente. Elle
consiste à éliminer les réacüons dues au couple par fa 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
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de l'outil pendant son fonctionnement, comme décrit par exemple dans le
brevet EP 209916.
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, !'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'elfe 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 soif incorporé à la machine porte-outils, et dans ce cas
l'accélération du volant d'inertie peut étre 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 exempte 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
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pour obtenïr de fortes réductions de vitesse, par exemple selon un facteur
ou 100.
Les contraintes mécaniques induites par les vitesses de rotation et
les valeurs de couple de serrage que l'on cherche à obtenir, imposent des
5 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. 1l 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.
10 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, farce 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
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vitesse de rotation d'un fadeur 10, le réducteur étant couplé à un votant
d'inertie 6 par l'intermédiaire d'un dispositif d'embrayage 7 connu de
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 âc ; pour obtenir une valeur de rotation de 1500 fours 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, l'arbre de rotation interne 2b de ia 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 ia
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.
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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
par la puce, afin d'atteindre une vitesse déterminée après une période de
5 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 fa 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 te 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, l'énergie disponible est
limitée. II 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, ta puce commande Ia cbnnexion au moteur d'entraînemenf ou
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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.
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, te 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; l'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, l'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 diamêtre interne d, ont
des valeurs telles qu'elles sont directement adaptées à futïlisation en tant
que votant d'inertie dans les conditions exposées précédemment. II 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 cisaüleuse ou machine-outil,
aussi bien que pour toute machine porte-outils portative ou non, ou pour
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tout robot rnanutentionneur mufti ou mono broche(s). Les adaptations en
masse et en dimensions du volant d'inertie sont calculées en foncüon 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
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.
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