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Société dite :
USM CORPORATION pour : "Générateur d'ondes universel notamment pour mécanismes du type à entraînement harmonique" Priorité d'une demande de brevet aux Etats-Unis d'Amérique déposée le 3 septembre 1982, sous le NI 414.655 au nom de John Howard Carlson, Donald Longworth Mansfield et Gifford Pennington Scott.
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La présente invention se rapporte aux dispositifs de transmission de mouvement, et concerne plus particulièrement un générateur d'ondes pour un mécanisme du type à entraînement harmonique.
L'invention concerne donc les dispositifs de transmission de mouvements de rotation dont les principes ont été décrites dans le Brevet des Etats Unis d'Amérique NO 2 906 143 et dans lesquels des actionneurs
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du type à entraînement harmonique comportent couramment p trois éléments de base : une couronne souple, une couronne circulaire rigide coaxiale avec elle et un dispo- si-cif générateur d'ondes pour produire une déformation de la couronne souple et faire engrener les couronnes dans des positions espacées, et pour qu'une onde de déformation soit produite dans la couronne souple. L'un quelconque de ces trois éléments peut servir de pièce d'entrée et l'un des deux autres peut servir de pièce de sortie.
Ces éléments son-c nécessairement fabriqués avec des tolérances, très serrées pour assurer un ajustage optimal de l'engrènement. des couronnes, ce qui nécessite un assemblage très sélectif. En général, une came génératrice d'ondes spéciale est fabriquée pour un ensemble particulier afin de compenser des variations des tolérances dans les pièces intervenant dans l'assemblage des couronnes.
Le-Brevet des Etats Unis d'Amérique NI 2 959 065 décria un mécanisme pour changer successivement le mode de fonctionnement d'une table tournante en manipulant une bague génératrice d'onde comprenant la moitié d'un contour de came génératrice d'ondes disposée extérieurement autour d'un chemin de roulement extérieur d'un roulement circulaire, la bague de roulement intérieure du roulement ayant une forme elliptique à la surface extérieure et portant l'autre moitié du contour de came. La table tournante ellemême comporte une plaque de base qui peut reposer sur un socle, comportant une couronne dentée circulaire rigide
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intérieure.
Autour de cette couronne rigide solidaire est placée une couronne intérieure souple ou porteuse d'ondes, avec une denture de couronne intérieure solidaire qui engrène et vient en prise avec les dents de la couronne dentée extérieure. Autour de la porteuse d'onde se trouve le chemin de roulement intérieur d'un palier générateur d'ondes. Autour du chemin de roulement intérieur sont des éléments roulants constitués par des billes qui sont entourées et-renfermées par un chemin de roulement extérieur souple.
Un dispositif à cabestan permet à la came génératrice d'onde extérieure de tourner de par rapport à lp bague de roulement intérieure pour effectuer un réglage elliptique, de la forme circulaire à la forme elliptique, facilitant l'engagement/dégage- ment des couronnes dentées et permettant au-dessus de table circulaire de tourner par rapport à sa base, avec un rapport unitaire ou un rapport de réduction de l'entraînement harmonique.
Un. but de l'invention est donc de proposer un générateur d'ondes pour différents types de transmissions à entraînement harmonique dans lequel l'ellipticité de 18 bague de roulement extérieure du générateur d'ondes peut être préréglée et établie de façonpermanente pour permettre une commande précise de l'amplitude de la déformation produite et pour corriger ainsi les variations dimensionnelles de tous les éléments individuels constituant l'assemblage des couronnes.
L'invention concerne donc un dispositif de transmission du type à entraînement harmonique dans lequel un ensemble générateur d'ondes peut être disposé sur un arbre pour transmettre un mouvement. L'ensemble générateur d'ondes consiste en une came génératrice d'ondes avec une forme elliptique prescrite à sa périphérie. La came génératrice d'ondes peut s'ajuster avec un ensemble de roulement à billes déformable comprenant un chemin de roulement intérieur, un chemin de roulement extérieur, des billes et une cage à billes disposées entre les chemins
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de roulement. La circonférence dela came génératrice d'ondes est légèrement plus grande que l'alésage du chemin de roulement intérieur correspondant, l'assemblage étant effectué par emmanchement à force des pièces ansemble.
Dans ce mode de réalisation, la came génératrice d'ondes a une forme elliptique avec un grand axe et un petit axe. Quand la bague de roulement intérieure de l'ensemble de roulement à billes est emmanchéesur la came génératrice d'ondes, la bague de roulement intérieure épouse la forme elliptique prescrite de la came généra- trice d'ondes dont la forme est ainsi transférée au chemin de roulement extérieur souple par l'intermédiaire des billes.
Pour éliminer la nécessité de fabriquer les cames génératrices d'ondes à une dimension précise, l'invention propose de réaliser la came génératrice d'ondes à des dimensions prédéterminées avec une ellipticité spécifiée, et de régler l'ellipticité du chemin de roulement extérieur de l'ensemble de roulement à billes en introduisant un chemin de roulement intérieur pour l'ensemble de roulement à billes sur la came génératrice d'ondes, ayant une épaisseur radiale qui varie selon la circonférence comme une sinusoïde sur 180'c'est-à-dire avec une surface du chemin de roulement intérieur fabriquée en une configuration elliptique.
En contrôlant la relation de phase entre la circonférence mise en forme de la came génératrice d'ondes et le chemin de roulement intérieur mis en forme de l'ensemole de roulement à billes, l'amplitude
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de l'onde de déformation imposée au chemin de roulement extérieur de l'ensemble de roulement à billes peut être contrôlée exactement, ce qui pallie les inconvénients des ensembles actuels qui comportent des chemins de roulement intérieurs d'épaisseur uniforme ne permettant pas le réglage.
La came génératrice d'ondes et l'ensemble de roulement à billes peuvent être adaptés dans'extrémité
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ouverte d'une pièce en forme de coupelle appelée une couronne souple. L'extrémité fermée de la couronne souple peut être fixée sur un arbre qui peut tourner dans un carter. La périphérie extérieure de l'extrémité éloignée de la couronne souple peut porter une denture extérieure.
La denture extérieure de la couronne souple peut engrener avec la denture intérieure d'une autre couronne circulaire disposée dans le carter.
La bague de roulement intérieure peur avoir sa surface périphérique intérieure définissant la configuration elliptique, ou elle peut avoir une surface périphérique extérieure définissant une configuration el- liptique. Le bord de la bague intérieure peut être marqué pour indiquer la position de son grand axe ou de son petit axe. La came, de forme elliptique similaire, peut aussi être marquée près de sa périphérie pour indiquer la position de son grand axe ou de son petit axe.
Avec l'ensemble de roulement enmanché sur la came, le déplacement angulaire ou la relation de pnase entre le marquage sur la bague intérieure du roulement générateur d'ondes et le marquage sur la came génératrice d'ondes détermine la nature additive ou soustractive des sinusoïdes engendrées par chaque pièce elliptique ou autrement dit, leur relation de phase.
Ainsi, l'amplitude de l'ellipticité de la combinaison peut être facilement changée en démontant la came génératrice d'ondes et le roulement du générateur d'on- des, en tournant l'un d'un angle voulu, et en emmanchant et en fixant à nouveau l'ensemble de roulement sur la came.
Quand le grand axe de la came et la partie la plus épaisse de la bague intérieure sont en phase, les amplitudes des sinusoïdes des deux pièces sont additives produisant l'ellipticité maximale de la bague extérieure.
D'une façon similaire, lorsque le grand axe de la came et la partie de plus mince de la bague de roulement intérieure sont en phase, les amplitudes des sinusoïdes de chaque pièce sont soustractives, produisant l'. e11ipticité
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minimale de la bague de roulement extérieure. Dans toute position intermédiaire entre les relations précitées
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entre la bague intérieure et la came, 1'ellipticJLtxé sultante de la bague extérieure change entre deux oe-x- ré-trêmes, selon le décalage entre les deux éléments-
Le chemin de roulement intérieur de l'ensemble de roulement peut être collé sur la périphérie extérieure de la came pour éviter tout glissement indésirable. entre elles.
Un adhésif disposé sur la came ou autre dispositif de fixation évite simplement le glissement mais ne ! Lnterdit pas un démontage ultérieur.
La came génératrice d'ondes peut comporter trois lobes et la bague de roulement intérieure de son ensemble de roulement peut comporter de façon similaire trois lobes épaissis radialement, disposés circonférentiellement, cette disposition formant un autre mode de réalisation.
L'épaisseur radiale de la bague de roulement intén-eure dansle mode de réalisation à trois lobes varie de façon sinusoïdale d'un cycle par 1200 et non par 1800 pour un cycle dans le mode de réalisation elliptique. Un déplacement angulaire des lobes sur la bague de roulement inté- rieure de l'ensemble de roulement de l'un es tros lobes sur la came changerait ainsi la relation de pnase de's gé- nérateurs d'ondes faisant varier leur amplitude ondulatoire cumulative respective.
Un autre mode de réalisation consiste en un générateur dondes annulaire ayant une forme elliptique autour de sa surface périphérique intérieure. Le roule- ment associé avec lui comporte une bague de roulement extérieure d'épaisseur variable dont la face extérieure a une forme elliptique, chaque pièce correspondante étant marquée comme dans les précédents modes de réalisation. Un décalage angulaire du granct axe ou du marquage par rapport à l'autre produit ainsi des ondes cumulatives sousTtra. cti- ves en raison de leur déphasage. Le générateur d'ondes annulaire peut être agencé dans la configuration à trois
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lobes comme dans l'un des précédents modes de réalisation.
Un autre mode de réalisation encore comporte une bague annulaire dont l'épaisseur radiale de paroi varie selon la circonférence de façon sinusoïdale sur 1800.
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La bague annulaire peut de la bague u e de roulement intérieure d'épaisseur variable qU1, dans ce mode de réalisation, aurais une épaisseur radiale un- forme. L'alésage ou la périphérie intérieure de la bague annulaire est légèrement plus petit que la périphérie de la came génératrice d'ondes. Quand la bague annulaire est emmanchée sur la came génératrice d'ondes, elle épouse sa forme générale, mais modifiée par la variation d'épaisseur radiale de paroi de la bague annulaire. Un changement de décalage angulaire entre le grand axe de la bague annulaire ex le grand axe de la came génératrice d'ondes entraîne un changement d'amplitude de l'onde de déformation de l'ensemble.
La surface extérieure de la bague annulaire peut fonctionner comme un palier par rapport à l'alésage d'une couronne souple associée, ou elle peut être emmanchée dans un roulement de générateur d'ondes courant dont la bague de roulement intérieure à une épaisseur radiale uniforme.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre.
Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemples nullement limitatifs :
La Figure 1 est une vue de côté d'un ensemble générateur d'ondes réalisé selon l'invention, la Figure 2 est une vue de l'ensemble générateur d'ondes avec des éléments en relation déphasée, la Figure 3 est une courbe de relation de phase se rapportant à l'ensemble générateur d'ondes de la Fig. 1, en phase, la Figure 4 est une courbe de composantes de l'ensemble générateur d'onde de la Fig. 2, en déphasage de 90 0,
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la Figure 4A est une courbe de composantes d'un ensemble de générateurs d'ondes dans une relation de phase intermédiaire, la Figure 5 représente un mode de réalisation autre que celui de la Fig.
1, la Figure 6 représente un autre mode encore de
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réalisation d'un ensemble générateur d'ondes annulaire, et la Figure 7 représente encore un autre mode de, réalisation, montrant une partie d'une came génératrice d'ondes et d'un ensemble de roulement avec une bague annulaire d'épaisseur radiale variable intercalée.
Les Fig. 1 et 2 représentent donc un ensemble générateur d'ondes 20 qui peut être adapté à des dispositifs de transmission de mouvement, tels que ceux décrits dans les Brevets des Etats Unis d'Amérique NI 2 906 143, 2 959 o65 et 3 604 287.
L'ensemble générateur d'ondes 20 comporte une came génératrice d'ondes 22 qui, dans le présent mode de réalisation, comporte une surface extérieure 24 de forme elliptique. La came génératrice d'onde 22 comporte un alésage central 26 dans lequel un arbre, non représenté, peut être fixé. La came génératrice d'ondes 22 est emmanchée dans un ensemble de roulement 30. L'ensemble de roulement 30 peut comporter une bague de roulement intérieure élas- tique 32, une bague de roulement extérieure élastique 34, plusieurs éléments roulants 36, une cage a billes 38 et une bague d'appui annulaire, non représentée.
La bague de roulement intérieure 32 de l'ensemble de roulement 30 peut avoir une épaisseur variable.
Dans son état non emmanché, (non emmanché sur la came génpratrice d'ondes 22), la bague de roulement intérieure 32 comporte une surface extérieure de forme circulaire.
La bague de roulement intérieure 32 comporte de préférence une surface intérieure 2 de forme elliptique, ce qu1 veut dire que l'épaisseur radiale de la bague de roulement intérieure 32 varie selon la circonférence comme une sinu-
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solde de 3600 par N, où e égal au nomore de lobes. La forme elliptique pourrait être formée sur la surface extérieure 40 de la bague de roulement inté- rieure 32, la surface intérieure étant circulaire, ce qui pour faciliter l'explication sera décrit ci-après.
Dans un cas comme dans l'autre, la périphérie intérieure de la bague de roulement in érieure32 est légèrement inférieure à la périphérie extérieure 24 de la came génératrice d'ondes 22 de sorte que lorsque la bague de roulement intérieure 32 est emmanchée sur la came génératrice d'ondes 22, sa surface extérieure épouse sa forme ellip- tique (ou non circulaire) soumise aux modifications imposées par l'épaisseur variable de la bague de roulement intérieure 32.
La cane 22 comporte un grand axe A-A représenté sur la Fig. 1. La bague de roulement intérieure 32 comporte un grand axe B-B qui, selon la Fig. 1, coincide avec l'axe A-A et qui, selon la Fig. 2, fait un angle de 90 par rapport à cet axe. la Figure 3 est une représentation graphique des ondes sinusoïdales produites lorsque les grands axes des pièces génératrices d'ondes elliptiques coïncident entre eux, l'onde 1 représentant une onde produite par la came génératrice d'onde 22 et l'onde 2 représentant une onde produite par l'épaisseur radiale variable de la bague de roulement intérieure 32, réalisée par la courbure elliptique de la surface extérieure 40 (ou la surface intérieure) de la bague de roulement intérieure 32 réalisée par les éléments de la Fig. 1.
La somme algébrique de l'onde 1 et de l'onde 2 est représentée par l'onde 3 qui est additive car les générateurs d'ondes 22 et 32 sont en phase, et l'am- plitude de l'onde 3 est supérieure à celle de l'onde 2 ou de l'onde 1. La Fig. 4 est une représentation graphique des ondes sinusoïdales produites quand les grands axes des pièces génératrices d'ondes elliptiques sont dépnasées de 900 l'un par rapport à l'autre, l'onde 1 pouvant représen- ter une onde produite par la came génératrice d'ondes 22
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et l'onde 2 pouvant être produite par la courbure elliptique de la surface extérieure 40 de la bague de roulement intérieure 32 dont les grands axes sont décalés de 900 sur la Fig. 2.
La somme algébrique de l'onde 1 et de l'onde 2 conduit à une réduction entre elles en une onde résultante 3 car l'onde 1 et l'onde 2 sont déphasées de 180/N et l'onde 1 à une plus grande amplitude que l'onde 2. La Fig. 4A est une représentation graphique des onaes sinusoïdales produites quand les grands axes des pieces génératrices d'ondes elliptiques sont décalées de 450 l'un par rapport à l'autre, l'onde 1 ayant une plus grande amplitude que l'onde 2, la somme des deux ondes étant additive pour certaines de celles-ci et soustractive pour les autres parties."N"sur ces graphes indique le nombre de noeuds ou de lobes de la came génératrice d'ondes.
La Figure 5 représente un autre ensemble 50 de générateur d'ondes sous une forme légèrement éxagérée, dans lequel une came trichoïdale 52 ou générateur d'ondes à trois lobes comporte un alésage central 54. La came tri- choldale 52 comporte une périphérie extérieure qui est agencée dans une configuration à trois looes désignés par X, Y et Z au lieu de seulement deux lobes dans la configuration elliptique. La came 52 peut être emmanchée dans un ensemble de roulement 60. L'ensemble de roulement 60 comporte une bague de roulement intérieure élastique 62, une bague de roulement extérieure élastique 64 et plusieurs éléments roulants 66 entre ces bagues.
La bague de roulement intérieure 62 de l'ensemble de roulement 60 peut, avoir une épaisseur variable.
Dans l'état non assemblé, non emmanché, la bague de roulement intérieure 62 peut avoir une surface intérieure 70. de forme circulaire, et une surface extérieure 68 de forme tricholdale. Dans ce mode de réalisation à trois lobes, l'épaisseur radiale varie suivant trois sinusoïdes, de 1200 chacune plutôt que de deux comme dans le mode de
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réalisation elliptique. La bague de roulement extérieure 64 a une configuration radiale uniforme dans ce mode de réalisation. Le décalage angulaire de la bague de roulement intérieure 62 par rapport à la configuration trichoidale de la périphérie extérieure 58 de la came 52 modifie leur relation de phase d'une manière similaire à celle des modes de réalisation précédents, pour modifier en conséquence leur amplitude angulaire cumulative.
Les bagues de roulement extérieures 34 et 64 des premier et second modes de réalisation peuvent être ajustées respectivement dans une couronne souple, comme le décrit le dernier brevet précité.
La Figure 6 représente un autre mode de réalisation d'un ensemole de générateur d'ondes 80 qui consiste en un générateur d'ondes annulaire 82 avec une périphérie circulaire 84. Le générateur d'ondes annulaire 82 peut comporter un alésage elliptique 86 dans lequel l'ensemble de roulement 88 est ; emmanché. L'ensemble de roulement 88 peut comporter une bague de roulement extérieure élastique 90, une bague de roulement intérieure élastique 92 et des éléments roulants 94 disposés dans une cage à billes 99 espacée entre ces bagues.
La bague de roulement ex-
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térieure 90 de ce mode de réalisation comporte une périphérie extérieure 96 de forme circulaire et une péripnérie intérieure 98 de forme elliptique ce qui veut dire que la bague de roulement extérieure 90 a une épaisseur radiale variable suivant toute sa circonférence, comme les bagues de roulement intérieures du précédent mode de réalisation.
La bague de roulement intérieure 92 a une forme circulaire, elle a une épaisseur radiale uniforme et s'adapte sur une couronne souple lOO qui peut être une pièce en forme de coupelle avec une denture disposée autour du périmètre intérieur de son bord. La couronne souple 100 peut être mobile radialement autour d'une couronne circulaire dentée 102 qui peut constituer la pièce d'encrée ou de sortie, le génerateur d'ondes annulaire 8'-3 étant alors respectivement la sortie ou l'entrée.
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La Figure 7 représente partiellement un autre mode de réalisation d'un ensemble générateur d'ondes 110, cet dernier comportant une came génératrice d'ondes 112 elliptique (non circulaire) comme dans les précédents modes de réalisation et un ensemble de roulement à billes 114. L'ensemDle de roulement à billes 114 comporte une bague de roulement extérieure élastique 116 d'épaisseur radiale uniforme, une bague de roulement intérieure elliptique 118 d'épaisseur radiale uniforme et des billes 120 dans une cage à billes 122 disposées entre la bague intérieure et la bague extérieure 118 et 116.
La bague extérieure l16 peut être en prise avec une coupelle flexible, non représentée, pour transmettre l'onde de déformation. Une bague annulaire 124 est disposée entre la came génératrice d'ondes 112 et la bague de roulement inférieure 118. La bague annulaire 124 a une épaisseur radiale qui varie suivant toute sa circonférence, comme les bagues de roulement des précédents modes de réalisation, cette variation étant sinusoïdale sur trois cent soixante/N. Etant donné que la bague annulaire 124 a une épaisseur radiale variable, la bague ou les bagues de roulement de l'ensemble de roulement 114 de ce mode de réalisation ont de préférence une épaisseur radiale uniforme comme mentionné ci-dessus.
La périphérie intérieure de la bague annulaire 124 est légèrement intérieure à la périphérie de sa came 112 génératrice d'ondes associée.
Quand la bague annulaire 124 est emmanchée sur la came génératrice d'onde 112, elle adopte le contour extérieur de la forme générale de l ? came génératrice d'ondes 112, avec sa surface extérieure modifiée mais, comme dans les précédents modes de réalisation, avec sa propre épaisseur de paroi radiale, également soumise à la relation de phase entre 18 came génératrice d'ondes 112, et la bague annulaire 124.
Chaque mode de réalisation peut comporter un marquage désigné ici piu pour un but d'identilication près du centre de courbure d'au moins l'un des lobes pour iden-
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tifier la position de la périphérie voisine comme point plus élevé du lobe. Un marquage désigné par"L" peut être placé sur les bords des bagues de roulement d'épaisseur variable pour indiquer la position du grand axe de la partie plus épaisse de bague de roulement respective.
Pendant le fonctionnement de ces ensembles générateurs d'ondes 20,50 ou 80, les ensembles de roulement sont emmanchés sur les cames génératrices d'ondes 22,52 ou 82 respectivement avec les marquages décalés angulairement à volonté pour obtenir la sortie angulaire résultante voulue. Les bagues de roulement peuvent être fixées sur les cames génératrices d'ondes respectives par un adhésif ou tout autre moyen, évitant un mouvement indésirable entre l'un et l'autre pendant le fonctionne-
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ment de l'ensemble générateur d'ondes.
Lorsqu'il y a lieu de régler ou de corriger la sortie ondulatoire d'un ensemble particulier de générateur d'ondes résultant d'un nouvel assemblage ou d'une correction de tolérance, la came et la bague annulaire peuvent être démontées de leur ensemble de roulement respectif et assemblées à nouveau par un nouvel alignement de leurs marques respectives.
Il faut noter que dans les variantes de réalisation, seules les bagues de roulement respectives contiguës des cames génératrices d'ondes ou du générateur à bague annulaire peut avoir une épaisseur variable et que l'autre bague de roulement dans chaque ensemble de roulement respectif a une épaisseur uniforme.
L'invention a été décrite en regard d'applications particuliers et bien entendu de nombreuses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre ni de son esprit.