CH649248A5 - Dispositif operateur a trois axes. - Google Patents

Description

La présente invention concerne un dispositif opérateur à trois axes pouvant effectuer des rotations autour d'axes mutuellement perpendiculaires. Ce dispositif opérateur est destiné à déplacer un outil par rapport à une pièce. On peut le qualifier de poignet mécanique, parce que ses mouvements imitent ceux d'un poignet humain.

Un grand nombre de facteurs techniques et économiques (par exemple le développement des microprocesseurs, l'augmentation des coûts salariaux, les problèmes associés au contrôle de qualité sur les lignes de production, la nécessité d'augmenter la productivité) ont conduit à introduire des robots pour effectuer un grand nombre d'opérations industrielles. Les robots modernes peuvent être programmés pour effectuer des mouvements très précis et très rapides avec une main qui tient un outil. Par exemple, un robot peut effectuer très rapidement et avec une grande précision des soudures ponctuelles sur une carrosserie de voiture.

Une partie importante du robot est le poignet qui relie le bras à la main tenant l'outil. Au même titre que le poignet humain, le poignet du robot peut effectuer un mouvement dans le sens vertical,

dans le sens latéral et un mouvement de rotation autour de l'axe du bras.

Le dispositif idéal pour effectuer les mouvements qui sont ceux du poignet est un dispositif d'opérateurs hydrauliques à palette. Ce dispositif est bien connu et largement utilisé. Il consiste en un corps hydraulique cylindrique divisé en deux compartiments par une cloison allant de la paroi du corps au rotor et par une palette portée par ce rotor. Le fluide hydraulique est pompé de l'un des compartiments dans l'autre, ce qui a pour résultat de faire tourner le rotor. Des pompes de précision et des dispositifs d'asservissement contrôlés par ordinateur permettent aux dispositifs opérateurs des robots industriels de se mouvoir rapidement et avec précision à des positions préétablies. Les poignets ont une solidité, une souplesse de mouvement, une rapidité, une endurance et une fiabilité beaucoup plus grandes que celles des poignets humains.

Dans les dispositifs opérateurs à trois axes, le mouvement de rotation autour de chaque axe se fait au moyen d'un opérateur individuel, si bien qu'un tel dispositif opérateur comporte trois opérateurs distincts. Dans les dispositifs actuellement en usage, le premier opérateur est porté par un support situé à l'extrémité du bras du robot ou de toute autre installation. Le deuxième support est fixé au rotor du premier opérateur. Le troisième support est fixé au rotor du second opérateur. Toutefois, au lieu de boulonner le corps de chaque opérateur au support de cet opérateur et de fixer le support de l'opérateur suivant directement au rotor de l'opérateur précédent, chaque support est pourvu d'un palier dans lequel pivote le support suivant. Cette disposition consistant à accoupler les supports successifs au moyen de paliers fait que les forces exercées sur le poignet sont transmises par l'intermédiaire des supports. Dans les dispositifs où les corps des opérateurs sont boulonnés aux supports, les forces sont transmises entre le porte-outil et le bras par l'intermédiaire des opérateurs eux-mêmes. Dans les dispositifs opérateurs actuels, les tolérances de dimension des supports et des opérateurs sont plus faciles à respecter lorsque les supports et les opérateurs sont coaxiaux à leurs accouplements.

Les dispositifs actuellement utilisés présentent des inconvénients. En particulier, étant donné que chaque opérateur transmet le mouvement de rotation de son axe à l'opérateur suivant, il est nécessaire d'immobiliser chaque corps d'opérateur pour l'empêcher de tourner. Pour empêcher ce mouvement de rotation, les corps sont actuellement boulonnés à leurs supports respectifs. Ces boulons sont essentiellement destinés à empêcher la rotation des corps des opérateurs et non à transmettre des forces entre le porte-outil et le bras. Il s'ensuit que les tolérances dans la position relative des paliers dans lesquels pivotent les axes de l'opérateur et du système de fixation (boulons, goupilles, etc.) doivent être maintenues dans d'étroites limites, autrement des forces latérales apparaîtraient qui pourraient gêner le fonctionnement de l'opérateur en introduisant des tensions indésirables dans le système.

Les dispositifs actuels présentent aussi des problèmes au niveau du système hydraulique des opérateurs. Normalement, les servoval-ves des opérateurs sont portées par un bras et elles sont reliées à l'opérateur par l'intermédiaire de tubes ou de conduites. Cela introduit une certaine imprécision dans les mouvements de l'opérateur du fait que les tubes ou conduites sont susceptibles de se dilater ou de se contracter suivant la pression du fluide, pression qui dépend à chaque moment de la force exercée sur l'opérateur. En outre, la com-pressibilité du fluide hydraulique fait que son volume change suivant la pression à laquelle il est soumis. L'effet de ces deux phénomènes

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est cumulatif, et la précision des mouvements des opérateurs s'en trouve affectée négativement. Les servovalves peuvent être réglées pour laisser passer un volume prédéterminé qui est envoyé vers l'opérateur, mais le volume de fluide qui entre effectivement dans l'opérateur n'est pas exactement celui qui a été prévu, à cause des effets cumulés des phénomènes d'expansion et de contraction de la conduite d'alimentation et du fluide lui-même. Non seulement l'effet de la dilatation et de la contraction du fluide et des conduites d'un circuit donné sont cumulatifs, mais ils sont aussi cumulatifs pour les opérateurs successifs, ce qui est encore plus important. Il en résulte une imprécision dans la position relative de l'outil par rapport au bras ou à un autre support. En d'autres termes, les imprécisions dans le mouvement vertical, dans le mouvement latéral et dans le mouvement de rotation longitudinale s'ajoutent pour accroître l'imprécision dans la position de l'outil par rapport au bras. Il est possible de corriger cette imprécision par une programmation appropriée de l'ordinateur, mais cette programmation est une complication supplémentaire qu'il est souhaitable d'éviter.

Les poignets des robots actuellement en usage présentent encore un autre inconvénient. Comme il est habituel en de semblables circonstances, les axes des opérateurs sont cannelés à leurs extrémités et fixés au support suivant par des colliers également cannelés. Or, les connections de ce type sont susceptibles d'avoir du jeu. Ce jeu, comme précédemment les insuffisances du système hydraulique, affecte négativement la précision du mouvement du poignet.

La présente invention concerne un dispositif opérateur à trois axes qui améliore les dispositifs antérieurs en éliminant leurs trois insuffisances précédemment décrites grâce à son agencement défini dans la revendication 1.

Pour mieux comprendre la présente invention, une description est faite ci-dessous d'un exemple d'exécution, description qui est accompagnée de dessins appropriés:

la flg. 1 est une vue d'en haut de cet exemple d'exécution, ce premier opérateur étant montré en coupe,

la fig. 2 est une vue latérale de l'exemple d'exécution, le second opérateur étant montré en coupe,

la fig. 3 est une vue d'en haut des second et troisième opérateurs, le troisième opérateur étant montré en coupe,

la fig. 4 est une vue d'en haut d'une plaque mince destinée à empêcher le corps de l'opérateur de tourner,

la fig. 5 est une vue latérale de la plaque mince de la fig. 4,

la fig. 6 est une vue en bout de la plaque mince de la fig. 4, et la fig. 7 est une vue en coupe selon le plan 7-7 de la fig. 3 du dispositif de couplage des ouvertures de la plaque comportant les canaux de fluide hydraulique et des ouvertures correspondantes de l'opérateur.

Le dispositif opérateur à trois axes représenté sur les dessins comprend une première unité P, une seconde Y et une troisième unité R qui effectuent un mouvement de rotation. L'unité P comporte un opérateur rotatif hydraulique 1, ayant des extrémités d'arbre la et lb qui sont indirectement logées dans les bagues internes 71 et 73 de roulements à rouleaux. Les bagues externes 72 et 74 des roulements à rouleaux sont situées dans des ouvertures relativement importantes pratiquées dans la paire de plaques latérales 12 et 13 du support de l'unité P. Les plaques latérales 12 et 13 sont fixées par des boulons 79 et 80 à une plaque transversale 4 dans laquelle sont aménagés des canaux pour l'alimentation et le retour du fluide hydraulique. La plaque 4 comporte des trous taraudés ( non représentés sur les dessins) qui permettent de fixer le dispositif opérateur à l'extrémité libre d'un bras ou de tout autre support approprié. La plaque 4 est percée de canaux d'alimentation 200 et de retour 202 de fluide hydraulique qui sont reliés par des tuyaux à un générateur hydraulique. La servovanne PSV de l'unité P est fixée directement sur la face arrière libre de la plaque 4. Les canaux 204 et 206 de la servovanne communiquent avec les canaux 200 et 202 respectivement ainsi que avec les canaux 208 qui sont reliés par un couplage à l'opérateur. Le couplage des canaux 208 de la plaque avec l'opérateur sera décrit plus loin en détail lors de l'examen de la fig. 7.

Les extrémités la et lb de l'arbre de l'opérateur 1 de l'unité P sont tenues en place dans leur support au moyen de roulements à rouleaux. Ces extrémités sont d'autre part fixées rigidement au support 11 de l'unité Y. La partie 11 concernée a généralement la forme d'un U. Ce U comporte des ouvertures qui ont le même axe que les extrémités la et lb de l'opérateur 1. Les extrémités la et lb sont logées dans ces ouvertures et sont fixées au support 11 d'une manière qui est visible sur les dessins et qui ne sera pas décrite en détail. Brièvement, l'extrémité de l'arbre lb de l'unité P est fixée au support 11 de l'unité Y au moyen d'un accouplement à cannelures, et l'extrémité la est fixée au support 11 au moyen d'un manchon 18 ayant un profil biseauté forcé en position par un boulon de serrage 21. Ainsi le support 11 se trouve maintenu en position grâce aux roulements à rouleaux du support de l'unité P, en même temps qu'il est fixé rigidement à l'axe de l'opérateur 1 de l'unité P. Lorsque cet arbre tourne, il entraîne dans sa rotation le support 11 qui pivote dans les paliers du support de l'unité P. Les forces externes qui s'exercent sur le support 11 sont transmises au support de l'unité P, tandis que le couple de rotation auquel est soumis l'arbre de l'opérateur 1 de l'unité P est transmis au support 11.

Il est naturellement primordial que le corps de l'opérateur 1 soit empêché de tourner autour de son axe au moyen d'une structure relativement rigide. Cependant, une telle structure ne doit pas être rigide au point d'introduire des tensions dirigées dans une direction-perpendiculaire à l'axe qui seraient alors supportées par les roulements à rouleaux dans lesquels pivotent l'arbre et le support 11. Dans la présente invention, chaque opérateur est empêché de tourner autour de son axe lorsqu'il est soumis à un couple de rotation par deux plaques minces, chacune de ces plaques étant fixée, d'une part, au corps de l'opérateur et, d'autre part, au support sur lequel l'opérateur est monté. Dans le cas de l'unité P, l'opérateur 1 est immobilisé par les plaques minces 25. Les fig. 4 à 6 montrent la forme qu'ont ces plaques. Elles peuvent être constituées par exemple en acier inoxydable semi-dur de type 301 et avoir une épaisseur de 1,5 mm. Les plaques minces 25 ont généralement la forme d'un I. (fig. 6). Ce L comporte une jambe plus longue 25a, une jambe plus courte 25b et une section située entre les deux jambes ayant une forme courbe 25c. La section 25c se trouve logée entre l'opérateur et le support auquel l'opérateur est fixé. La jambe plus longue 25a de la plaque est bloquée sur la paroi plate de l'opérateur entre les plaques 28 et 30. Les goupilles de position 97 servent à placer la jambe 25a correctement sur l'opérateur. Cette jambe 25a est fixée sur l'opérateur au moyen des boulons 81. La jambe plus courte 25b est fixée à la plaque 4 au moyen d'une bride plate 38 qui est percée de trous taraudés dans lesquels viennent se visser des boulons qui traversent cette plaque.

Etant donné que la plaque mince 25 est très large et du fait de la disposition des supports, le couple de rotation s'exerce essentiellement dans le sens de la largeur de la plaque; cette plaque mince offre par conséquent une résistance importante au couple de rotation qui s'exerce sur elle. Par ailleurs, les forces qui s'exercent perpendiculairement à l'axe de l'opérateur sont transmises à la partie 25c qui est courbe et offre donc très peu de résistance à ces forces. Par conséquent, en cas de mauvais ajustement ou en cas de jeu entre l'opérateur et le support, aucune tension latérale ne peut s'exercer sur l'opérateur et sur les roulements à rouleaux. Le système continuera à fonctionner de manière souple et régulière, sans que sa capacité d'effectuer ses opérations avec précision soit affectée.

A la fig. 2, l'unité Y effectuant une rotation autour d'un second axe comprend un opérateur 2 pourvu d'un arbre dont l'une des extrémités est fixée par un accouplement à cannelures 17 et l'autre extrémité par un accouplement à cône au support 39 de l'unité R. Le support 39 pivote à l'intérieur d'ouvertures pourvues de roulements à rouleaux 75, 76 pratiquées dans les plaques terminales 14 et 214 du support 5 de l'unité Y. Des plaques minces 26, placées à chaque extrémité de l'opérateur, empêchent celui-ci de tourner. Par contre, grâce aux roulements à rouleaux 75, 76, l'opérateur peut faire tourner selon le mouvement de l'unité Y le support 39 de l'unité R, ainsi

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que tous les dispositifs qui sont fixés sur ce support 39. Les plaques minces 26 sont identiques au point de vue forme et principe de fonctionnement aux plaques représentées sur les fig. 4 et 6. L'opérateur est alimenté par l'intermédiaire de canaux percés dans le support 5. La servovanne YSV de l'unité Y est fixée sur une extension 5a du support 5. Le fluide hydraulique vient par des tuyaux de l'unité hydraulique, tuyaux qui aboutissent à l'extension 5a. Des canaux percés dans l'extension 5a conduisent, en passant par la servovanne, à des ouvertures faisant face à l'opérateur. Ces ouvertures sont reliées aux ouvertures correspondantes de l'opérateur par un système de couplage 33. En conséquence, l'extension 5a et la portion 5b du support 5 constituent des éléments structuraux de ce support, en même temps qu'ils servent de système d'alimentation de l'unité Y en fluide hydraulique.

Aux fig. 2 et 3, l'unité R comprend un porte-outil 8 qui est fixé sur l'extrémité 3a de l'arbre de l'opérateur 3 par un accouplement sans jeu qui sera décrit plus loin. Le porte-outil 8 tourne dans une ouverture pratiquée dans la plaque 7 du support 222 de l'unité R, ouverture qui est munie d'un roulement à rouleaux 77, 78. L'extrémité de l'arbre de l'opérateur 3 qui est opposée au porte-outil (c'est-à-dire adjacente à l'unité Y) est libre; toutefois, le corps de l'opérateur 3 est relié à la plaque 6 du support 222 par des plaques minces 27 qui empêchent la rotation de l'opérateur. Ces plaques minces 27 sont identiques dans leur forme et leur fonctionnement aux plaques décrites précédemment (fig. 4 à 6). La plaque 6 du support 222 est percée de canaux 224 et 226 qui vont des ouvertures taraudées pratiquées sur la face supérieure de la plaque à la servovanne RSV. Ces ouvertures taraudées sont faites pour recevoir les tuyaux venant et allant au générateur hydraulique. La servovanne est aussi reliée par les canaux 230 et 232 à des ouvertures situées sur la surface inférieure de la plaque 6. On voit sur la fig. 7 le tube de couplage 33 qui relie le canal 230 à l'entrée de fluide 3b de l'opérateur 3. Les bagues 236 et 238 rendent le couplage entre le tube 33 et les trous 240 et 242 respectivement êtanche. Les deux chambres de chacun des corps des trois opérateurs sont reliées à leurs supports par le même organe d'alimentation et d'évacuation de fluide 33 que celui représenté sur la fig. 7.

Le porte-outil 8 est fixé sur l'extrémité 3a de l'arbre de l'opérateur 3 au moyen d'un accouplement sans jeu. Un tel accouplement sans jeu comporte un collier 20 dont la section adjacente au corps de l'opérateur est fixée à l'arbre au moyen de cannelures. La section cannelée du collier est fendue pour constituer un certain nombre de segments. Au moins une partie de la section cannelée du collier comporte une surface externe conique 20a, l'extrémité étroite de ce corps conique étant dirigée vers le corps de l'opérateur. Une ou plusieurs goupilles d'accouplement 101 sont introduites dans des trous semi-cylindriques situés sur la surface externe du collier 20. Ces goupilles permettent de vérifier qu'il n'y a pas eu de glissement de l'accouplement. Le manchon 8a du porte-outil 8 a une surface interne conique qui s'adapte à la surface externe conique 20a du collier 20. Le manchon 8a comporte sur sa surface interne des trous semi-cylindriques pour recevoir les goupilles d'accouplement 101. Une bague de serrage 51 vient s'appuyer sur l'extrémité externe du collier 20. Un boulon 86 est vissé dans un trou taraudé situé à l'extrémité 3a de l'arbre de l'opérateur. Lorsque le boulon est vissé, la bague de serrage 51 force le collier 20 à s'engager sur l'extrémité d'arbre 3a. Une bague d'écartement 23 permet de placer le porte-outil 8 correctement par rapport au corps 3. La partie conique du manchon 8a serre la partie conique correspondante du collier 20, ce qui assure un accouplement tout à fait rigide entre la partie cannelée de l'extrémité d'arbre 3a et la partie cannelée et fendue correspondante du collier 20. On élimine ainsi toute possibilité de jeu qui pourrait autrement exister entre le porte-outil 8 et l'extrémité d'arbre 3a.

Dans la description qui précède et les dessins qui l'accompagnent, les opérateurs 1 et 2 sont fixés aux supports des opérateurs suivants par des accouplements à cannelures classiques. Toutefois, tous les opérateurs peuvent être reliés au support de l'opérateur suivant ou au porte-outil au moyen d'accouplement sans jeu, identique dans sa forme et dans son mode de fonctionnement à celui qui réunit l'opérateur effectuant un mouvement de rotation 3 et le porte-outil 8.

Un certain nombre de détails du dispositif opérateur à trois axes qui sont représentés dans les dessins n'ont pas été décrits en détail. Parmi ces détails, mentionnons l'existence d'organes de contrôle de position potentiométriques, comme celui monté sur l'unité P effectuant un mouvement vertical (voir 43 sur la partie supérieure de la fig. 1). Chaque unité comporte par ailleurs divers autres éléments, comme des bagues d'écartement, les fixations des roulements à rouleaux, des bouchons de graissage, des plaques externes, etc., tous éléments qui sont utilisés pour les réalisations techniques similaires. Ces éléments sont représentés sur les dessins et seront aisément identifiés par ceux qui sont familiers avec ce type d'appareillage.

La présente invention, dont l'exécution est représentée sur les dessins en annexe et qui a été décrite précédemment, améliore le fonctionnement des dispositifs opérateurs à trois axes actuellement connus en éliminant dans une large mesure les contraintes latérales auxquelles les arbres des opérateurs peuvent être soumis, en éliminant dans une large mesure les effets résultant de la dilatation et de la contraction des tuyaux et conduites de fluide hydraulique situées entre la servovanne et l'opérateur et, enfin, en éliminant toute possibilité de jeu dans l'accouplement entre les opérateurs et les supports qui sont fixés à eux. Ces trois améliorations ont un effet cumulatif qui se traduit par un fonctionnement plus fiable et plus précis du dispositif d'opérateur à trois axes.

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Claims (5)

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1. Dispositif opérateur à trois axes, pouvant effectuer des rotations autour d'axes mutuellement perpendiculaires, comportant un premier, un second et un troisième opérateur (P, Y et R) placés à l'intérieur d'un premier, second et troisième support (4, 11, 6) et reliés entre eux dans cet ordre, caractérisé en ce que les premier et second supports sont pourvus de paliers (71 à 74, 75, 76) dans lesquels pivotent leurs arbres, en ce que le troisième support comporte un palier (77, 78) qui reçoit un porte-outil (8), les arbres des premier et second opérateurs étant fixés de manière rigide aux second et troisième supports respectivement, et l'arbre du troisième opérateur étant accouplé de manière rigide au porte-outil, et en ce que chaque opérateur comporte au moins une plaque (25, 26, 27) par laquelle il se trouve fixé à son support d'une manière qui l'empêche de tourner par rapport à ce support, chaque plaque (25, 26, 27) comportant un élément courbé (25c) situé entre l'opérateur et son support, dont la déformation évite l'apparition de tensions latérales pouvant s'exercer sur l'opérateur.

2. Dispositif opérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque plaque (25, 26, 27) a un profil en forme de L, en ce que la partie courbe (25c) de la plaque est située à la jonction des deux jambes du L (25a et 25b), et en ce que l'une des jambes (25a) est fixée sur une extrémité d'un corps d'opérateur, tandis que l'autre jambe (25b) est fixée au support sur le côté latéral de cet opérateur.

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REVENDICATIONS

3. Dispositif opérateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque opérateur comporte deux plaques (25, 26, 27), chacune étant fixée à une extrémité du corps de l'opérateur.

4. Dispositif opérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque support est pourvu d'une plaque (4, 5a-5b, 222) percée de canaux pour l'alimentation en fluide hydraulique de l'opérateur et pour son retour (200, 202, 224, 226), d'une servovanne (PSV, YSV, RSV), et de canaux (208, 230, 232) qui font communiquer la servovanne à un orifice (240) de la plaque placée vis-à-vis d'un orifice correspondant sur l'opérateur et auquel cet orifice (240) est relié par un organe de couplage (33).

5. Dispositif opérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un accouplement sans jeu sur l'arbre du support d'un opérateur, cet arbre comportant une portion cannelée à son extrémité et l'accouplement comportant un manchon (8a) entourant l'arbre et tournant avec lui à l'intérieur de son palier correspondant (77, 78), un collier (20) dont une portion adjacente à l'extrémité du corps de l'opérateur est reliée à l'arbre par les cannelures et est fendue pour permettre une déformation de ses segments vers l'arbre, au moins une partie (20a) de la portion fendue étant conique extérieurement et dans la direction qui s'éloigne du corps, tandis qu'une surface conique intérieure correspondante du manchon est en prise avec la partie conique du collier, une bague de serrage (51) qui s'appuie sur un épaulement du collier sur une face du collier éloigné du corps et un boulon de serrage vissé dans l'arbre et serrant la bague de serrage contre le collier de façon que les surfaces coniques du collier et du manchon poussent les segments de la portion cannelée du collier contre les cannelures de l'arbre de l'opérateur.