CA2328311A1 - Rotary drive tool-carrying machine with no reaction torque - Google Patents
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Abstract
Description
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 FEUILLE DE REMPLACEMENT (REGLE 26j WO 991526$4 PCT/FR99/00880 ROTARY DRIVE TOOL HOLDER MACHINE
WITHOUT TORQUE REACTION
The present invention relates to tool-holding machines, for example S example screwdrivers or drills, axis driven in rotation by any type of rotary energy generator, for example by electric motor, can be mounted on robots, for example robots multi-spindle handlers, or which can be portable and operated by an operator.
IO Whether held by the operator's hand or by the wrist of a robot handling, this type of machine most often causes a reaction to torque on the machine housing at the end of tightening the screws or nuts or drill lock. Such a reaction results in a rotation around central tax corresponding to the maximum torque delivered by the 15 machine. This reaction can cause serious injury to the wrist.
the operator or significant twists of the robot arm, or, at best, a tightening or drilling quality significantly reduced.
In order to solve this problem, i! is possible to determine by modeling the envelopes of the admissible operating positions 20 and their reproducibility according to the type of robot used, the type of mounting and different screwing positions. This approach of modeling is complex because, to obtain valid results, it is necessary to collect, for each type of machine or robot, a large number of precise data to obtain sufficient configuration 25 servo software.
The approach followed by the present invention is different. She consists in eliminating the reactions due to the torque by using a inertial effect. The flywheels usually used in machine tools are intended to be used simply as a balancing mass SUBSTITUTE SHEET (RULE 26d WO 991526 $ 4 PCT / FR99 / 00880
2 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 FEUfLLE DE REMPLACEMENT (REGLE 26j 2 of the tool during its operation, as described for example in the EP patent 209916.
This mechanistic approach achieves the objective desired without depending on the type of handling robot or screwing positions to be observed.
More specifically, the invention relates to a tool holder machine with rotary drive without torque reaction, comprising a source of rotating energy for a tool carrying rotation shaft around a axis, characterized in that the elf has a flywheel which is temporarily driven in rotation by the rotary energy source and which restores the kinetic energy stored to drive the shaft in rotation tool carrier by means of a speed reducer and a torque limiter.
According to different embodiments, the drive motor of the flywheel is thirst incorporated into the tool holder machine, and in this case the flywheel can be accelerated gradually outside of the operational phase of the machine, be ready for station fixed out of the machine. In the latter case, connection means temporary are provided between the machine flywheel shaft and that of the drive motor.
According to a particular embodiment, the source drive being an electric motor conventionally composed of a rotor and a peripheral stator surrounding the rotor, the rotor is immobilized and the stator, released, advantageously serves as a flywheel by coupling to the machine rotation shaft.
According to an exemplary embodiment, the speed reducer is uncoupled from the flywheel using a clutch during periods launching of the flywheel and operational non-use of the machine. This decoupling reduces the noise generated by this type speed reducer, which consumes energy in a reduced volume REPLACEMENT SHEET (RULE 26d
3 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 FEUILLE DE REMPLACEMENT (REGLE 26) WO 99/52683 to get big speed reductions, for example by a factor or 100.
The mechanical stresses induced by the rotational speeds and the tightening torque values that one seeks to obtain, impose 5 kinetic energy values stored by the flywheel, values which conventionally result from its mass, dimensions and speed of rotation. It appears that the values of diameter, width and mass of the flywheel thus determined are compatible with the dimensions and the weight usually used for this type of machine.
Other features and advantages of the invention will become apparent the following reading of a particular embodiment, accompanied by attached figures which respectively represent - Figure 1, a schematic sectional view of an example of screwdriver according to the invention, without on-board drive motor;
- Figure 2, a schematic sectional view of an engine electric drive, embedded in a machine according to the invention in which the stator serves as a flywheel.
The screwdriver shown schematically in section according to the Figure 1, passing through a central axis X'X, comprises - an external casing 1, substantially of revolution around the axis X'X and containing the parts for rotating a shaft 2 coupled to a clamping sleeve 3 of the blade to be used (and of the drill in the case of a multi-use machine, or any adaptable tool);
a torque limiter 4, with wolf teeth in the example of realization, intended to obtain the power adapted to a drilling or a screwing given according to the conditions of use (nature of materials to be screwed, stuffing stuffing, etc.); the torque limiter 4 is adjusted in position by a counter-support spring 13;
a speed reducer 5 formed, in this example, of two Hepicyclic trains 5a and 5b, each train providing a reduction of SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) WO 99/5268
4 PCTIFR99/00880 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.
FEUILLE DE REMPLACEMENT (REGLE 2ô) 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 4 PCTIFR99 / 00880 speed of rotation of a fader 10, the reducer being coupled to a voter of inertia 6 by means of a clutch device 7 known from those skilled in the art, for example an electromagnetic clutch to-disc;
- the flywheel 6 formed from a crown inertial mass peripheral 6a mounted on a disc 6b and closed by flanges ap holes; to obtain a rotation value of 1500 ovens per minute and a tightening torque of 50 Newtons-meters, the flywheel has a mass of 4 kg for a diameter and a width of the order of decimetre.
In operation, the internal rotation shaft 2b of the machine is connected at its rear end, mounted on the flywheel 6, to a rotary power source, an electric motor 8 in the example of production. This electric motor can be loaded on the back of ia machine, as schematically illustrated, or be arranged at a fixed station as illustrated by the cutting plane Y'Y, the machine then coming connect to this extension by the connection element.
Most of the rotary elements are held in the housing 1 and stabilized in rotation by means of connecting elements without friction, ball bearings 9 in the embodiment. Of micro-sensors 10 are arranged in the casing 1 opposite pads 11, integrated in the flywheel 6, in order to determine the speed of rotation of the flywheel by electrical coupling to a calculation and control chip 12. This chip, which includes a microprocessor and conventional components (memories, transistors, filters, .. :) is of known design and its description would be outside the scope of the present invention. Food electric is provided by on-board batteries (not shown) whose delivered voltage is adjusted by the control chip.
The different operating phases: launch, work, reminders, and stopping are as follows.
SUBSTITUTE SHEET (RULE 2ô) At first, called the launch phase, the steering wheel inertia 6, disengaged from the speed reducer by disengaging the device 7, is rotated according to a controlled progressive acceleration by the chip, in order to reach a determined speed after a period of
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 FEUILLE DE REMPLACEMENT (REGLE 26) wo Ws2ssa PCTIFR99100880 5 predetermined time. A rotation speed of 1500 rpm. East obtained in 1.5 seconds in the exemplary embodiment.
In this phase, the reduction trains 5a and 5b are therefore not trained to avoid energy loss, around 10% per train.
This disengagement also eliminates the noise triggered by these trains.
At the end of the launch period, i.e. when the steering wheel of inertia has reached its nominal speed, a control trigger 13 is engaged in order to couple the speed reducer 5 to the steering wheel 6 by a adapted positioning of the clutch 7. To do this, the trigger 13 thus sends a signal to the control chip which triggers the displacement of clutch 7 by establishing a field electromagnetic suitable in this clutch. At the same time, the steering wheel of inertia 6 is decoupled from the drive motor 8 by action on the connection element 14. This decoupling is obtained by any means known to those skilled in the art, for example by means electromagnetic At the start of the operational phase, the torque and rotation are then communicated to the tool-holder shaft 2a through the reduction gear speed 5 and the torque limiter 4.
Due to the decoupling of the flywheel, the available energy is limited. It may then be necessary to restart the rotation of the steering wheel of inertia by recoupling to the drive motor, when the speed of the flywheel reaches a minimum value, for example 1000 revolutions per minute.
When this predetermined minimum speed is measured by micro-sensors, your chip controls the connection to the drive motor or SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) wo Ws2ssa PCTIFR99100880
6 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 FEUILLE DE REMPLACEMENT (REGLE 26) WO 99/52684 PCTlFR99100880 6 warns the operator of the need for a raise. During this period of revival, the speed reducer is automatically disengaged from the steering wheel of inertia by command of the chip. Several reminders can be necessary during the operational phase.
When the operation to be completed ends, the flywheel provides all of its residual kinetic energy, and the machine can be removed without torque effect.
According to a particular embodiment, the motor drive is an electric motor incorporated in the door machine tools, as shown schematically in Figure 2. In this example of realization; the peripheral element 8a of the motor 8, usually the stator, is rotated by the central element 8b, immobilized using pins 15, the central element usually being the rotor of electric motors. The element device 8a then serves as a flywheel and is directly coupled to the reducer 5b through the clutch device 7.
The peripheral element 8a is also mounted on a bearing with balls 9 in the housing 1. The micro-sensors 10 'are then placed in the casing opposite the studs 11 'for counting turns integrated on this peripheral element. The dimensions of such a peripheral element usually used in electric drive motors conventional, in particular the outer diameter D and the inner diameter d, have values as they are directly adapted to futilization as that voting for inertia under the conditions set out above. II is thus possible to directly use this type of motor without having to use other flywheel, which constitutes an economy of achievement.
The invention is not limited to the embodiments described and represented. The invention applies to any type of tool-holding machine, as well milling machine, sharpener, cutter and cisaüleuse or machine tool, as well as for any portable or non-portable tool holder, or for SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) WO 99/52684 PCTlFR99100880
7 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.
FEUILLE DE REMPLACEMENT (REGLE 26) 7 any mufti or single spindle feeder robot. Adaptations in mass and dimensions of the flywheel are calculated based on tightening torque and speed values to be reached whose development is within the reach of those skilled in the art from calculations of moments of polar inertia of the annular flywheel and of the expression to be produced according to the geometry of the flywheel. Besides, everything type of rotary power source can be adapted and used, as well electric motor than pneumatic, hydraulic or turbine motor.
SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
Claims (9)
cinétique emmagasinée pour entraîner en rotation l'arbre porteur d'outillage (2a) par l'intermédiaire d'un réducteur de vitesse (8) et d'un limiteur de couple (4). 1. Tool-carrier with rotary drive without reaction of couple, comprising a rotary energy source (8) for a shaft of rotation (2a) tool carrier around an axis (X'X); characterized in that that it comprises a flywheel (6) which is temporarily driven in rotation by the rotating energy source (8) and which restores the energy.
stored kinetics for rotating the tool carrier shaft (2a) via a speed reducer (8) and a speed limiter couple (4).
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. 6. machine tool holder according to any one of claims above, characterized in that the speed reducer is decoupled of the flywheel using a clutch during periods of launch of the flywheel and non-operational use of the machine.
- un limiteur de couple (4) ajusté en position par un ressort de contre-appui (13);
- un réducteur de vitesse (5) formé de deux trains hépicycloïdaux (5a, 5b), le réducteur étant couplé au volant d'inertie (6) par l'intermédiaire d'un dispositif d'embrayage (7); et en ce que - le volant d'inertie 6 est formé d'une masse inertielle à couronne périphérique (6a) montée sur un disque (6b) et fermée par des flasques trouées (6c);
- le volant d'inertie (6), le réducteur de vitesse (5) et le limiteur de couple (4) sont maintenus dans le carter (1) et stabilisés en rotation par l'intermédiaire d'éléments de liaison sans frottement (9);
- 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). 7. machine tool holder according to any one of claims above, characterized in that it comprises - an outer casing (1), substantially of revolution around the axis (X'X) and containing parts for rotating the external shaft (2a) coupled to a tool collet (3);
- a torque limiter (4) adjusted in position by a spring counter-support (13);
- a speed reducer (5) formed by two hepicyclic trains (5a, 5b), the reducer being coupled to the flywheel (6) by the intermediary a clutch device (7); and in that - the flywheel 6 is formed of an inertial mass with crown peripheral (6a) mounted on a disc (6b) and closed by flanges gaps (6c);
- the flywheel (6), the speed reducer (5) and the speed limiter torque (4) are held in the housing (1) and stabilized in rotation by the intermediary of frictionless connecting elements (9);
- micro-sensors (10) are arranged in the casing (1) opposite studs (11), integrated in the steering wheel (6), in order to determine the speed of rotation of the steering wheel by electrical coupling to a computing chip and command (12).
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