CA2694883C

CA2694883C - Robot pour usiner une piece de structure sous l'eau

Info

Publication number: CA2694883C
Application number: CA2694883A
Authority: CA
Inventors: Julien Beaudry; Pierre-Luc Richard; Dominique Thuot; Philippe Hamelin; Michel Blain
Original assignee: Hydro Quebec
Current assignee: Hydro Quebec
Priority date: 2010-02-25
Filing date: 2010-02-25
Publication date: 2016-08-09
Anticipated expiration: 2030-02-25
Also published as: US8464804B2; CA2694883A1; US20110203823A1

Abstract

Un robot pour usiner une pièce de structure sous l'eau, comprenant un outil d'usinage ayant une chambre recevant un élément d'usinage, une structure de support et de guidage de l'outil d'usinage se fixant par rapport à la pièce à usiner et ayant des éléments mobiles submersibles et des éléments de guidage submersibles correspondants définissant des axes le long desquels les éléments mobiles sont déplaçables pour positionner l'outil d'usinage par rapport à la pièce à usiner, des organes de déplacement des éléments mobiles le long des axes, une alimentation en gaz se reliant à l'outil d'usinage pour injecter du gaz dans la chambre, et une unité de contrôle programmable pour opérer les organes de déplacement et l'outil d'usinage suivant un mode de contrôle en boucle fermée afin d'effectuer l'usinage de la pièce.

Description

ROBOT POUR USINER UNE PIECE DE STRUCTURE SOUS L'EAU
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention porte en général sur l'usinage d'une pièce d'une structure sous l'eau, et plus particulièrement sur un robot pour usiner une pièce de structure sous l'eau, comme l'une des pièces encastrées présentes sur des ouvrages hydro-électriques, notamment des voies de roulement, un seuil ou un linteau de pertuis servant à
accueillir des vannes et poutrelles.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Les voies de roulement, le seuil ou le linteau de pertuis servant à accueillir une vanne ou des poutrelles dans un ouvrage hydro-électrique sont des pièces susceptibles de s'user avec le temps et donc de nécessiter des travaux de réfection. Les méthodes traditionnelles de réfection sont basées sur des tâches de réparation mineure qui peuvent être complétées sous l'eau par des plongeurs expérimentés et aussi sur des travaux majeurs qui requièrent un séchage préalable de la zone de travail. La réfection robotisée présente des avantages économiques, mais soulève des problèmes de tailles en raison du design de systèmes submersibles comportant diverses parties électromécaniques. D'autres problèmes surgissent pour assurer à la fois des tâches automatisées et opérées à distance dans un environnement sous l'eau, où la présence humaine est considérée dangereuse et où la disponibilité
de capteurs visuels et internes est limitée. L'environnement sous l'eau est aussi une source de perturbations importantes susceptibles d'affecter le fonctionnement de manipulateurs. Le processus d'usinage est également affecté par l'environnement sous l'eau et pose des problèmes de précision.
Certains appareils permettant d'effectuer des travaux de réfection sous l'eau ont déjà
été proposés.

Par exemple, le brevet US 6,309,147 (Matsumoto et al.) montre un outil opéré à

distance pour percer une plaque d'une enceinte de réacteur nucléaire. L'outil comporte une mèche se déplaçant le long de son axe de rotation à l'intérieur d'un manchon stationnaire. L'outil est monté au dessus de la plaque à percer, et un système est prévu pour recueillir les débris résultants du perçage. Le perçage requiert que l'outil soit immobile et bien fixé par rapport à la plaque à
percer, et n'a donc aucune mobilité latérale ou transversale pour son déplacement, ni même verticale autre que celle relative à la mèche qui est nécessaire au perçage.
De plus, l'outil n'est doté que d'un contrôleur élémentaire limité au fonctionnement des moteurs de l'outil et qui n'est pas conçu pour posséder des capacités d'automatisation de la tâche de perçage, et encore moins pour d'autres tâches.
Le brevet US 6,555,779 (Obana et al.) propose un appareil qui empêche l'eau d'entrer dans une cloche couvrant et coulissant sur une pièce destinée à être travaillée, par exemple pour un soudage ou une coupe. L'appareil comporte un système d'injection d'eau ou de gaz sous pression destiné à former un rideau d'eau ou de gaz autour de la périphérie de la cloche pour empêcher l'eau d'y entrer.

L'appareil est particulièrement conçu pour effectuer une tâche de soudage le long d'une ligne et peut être monté sur un rail par l'entremise d'un assemblage qui n'a pas à subir d'efforts importants et dont la construction est en conséquence. Le contrôle de la tâche de soudage se fait par manoeuvre télécommandées par un ouvrier, ou par un mécanisme automatisé réagissant à des données d'images captées à l'aide d'une caméra durant le soudage.
Le brevet US 5,377,238 (Gebelin et al.) propose un dispositif pour couper ou rectifier un support d'un assemblage combustible de réacteur nucléaire. La configuration du dispositif est spécifiquement adaptée à la géométrie prismatique de l'assemblage combustible, et comporte ainsi une plateforme se fixant à l'horizontale sur un support de l'assemblage combustible, un chariot mobile monté sur la plateforme, un treuil pour hisser l'assemblage, des éléments de serrage de l'assemblage pour

2 l'immobiliser, une table montée sur le chariot avec un élément de retour, un support d'outil monté sur la table, et un outil fixé au support d'outil.
La demande JP 2005297090 (Sato et al.) propose un dispositif pour polir une pièce sous l'eau et récupérer les débris sans pour autant nécessiter une pompe d'aspiration. Le dispositif comporte des pales disposées sur l'arbre de rotation de l'outil situé dans une cloche de manière à créer une pression négative dans la cloche pour évacuer les débris et l'eau vers un filtre qui collecte les débris. La construction du dispositif ne permet que des travaux légers de polissage ou meulage.
En général, les appareils et dispositifs de l'art ont des capacités d'automatisation, de mobilité, de solidité, de précision et/ou d'adaptation limitées au point tel qu'ils ne conviennent pas à l'automatisation et la réalisation de travaux d'usinage sous l'eau impliquant des efforts importants au niveau de l'outil d'usinage, comme pour le meulage de pièces encastrées d'ouvrages hydro-électriques.
SOMMAIRE
Un objet de la présente invention est de proposer un robot pour usiner une pièce de structure sous l'eau, comme l'une des pièces encastrées présentes sur des ouvrages hydro-électriques, notamment des voies de roulement, un seuil ou un linteau de pertuis servant à accueillir des vannes et poutrelles.
Un autre objet de la présente invention est de proposer un tel robot qui est apte à
effectuer des tâches d'usinage et notamment de meulage de pièces de structures de longueurs variées.
Un autre objet de la présente invention est de proposer un tel robot qui permet d'effectuer une tâche d'usinage de façon automatisée avec précision.

3 Un autre objet de la présente invention est de proposer un tel robot qui possède une structure de support et de guidage de l'outil d'usinage dont les éléments ont une rigidité résistant à des efforts produits par l'outil d'usinage, permettant d'utiliser avantageusement le robot pour effectuer des travaux d'usinage d'envergure.
Selon un aspect de l'invention, il est proposé un robot pour usiner une pièce de structure sous l'eau, comprenant:
un outil d'usinage ayant un moteur submersible, un élément d'usinage couplé
au moteur, une chambre recevant une partie entraînée de l'élément d'usinage, et au moins une entrée de gaz communiquant avec la chambre;
une structure de support et de guidage de l'outil d'usinage se fixant par rapport à la pièce à usiner et ayant des éléments mobiles submersibles et des éléments de guidage submersibles correspondants définissant des axes le long desquels les éléments mobiles sont déplaçables pour positionner l'outil d'usinage par rapport à la pièce à usiner, l'outil d'usinage étant fixé à un des éléments mobiles à
portée de la pièce à usiner lorsque la structure de support et de guidage est fixée par rapport à la pièce à usiner, les éléments mobiles et les éléments de guidage ayant une rigidité
résistant à des efforts produits par l'outil d'usinage lorsque l'outil d'usinage est en opération;
des organes de déplacement des éléments mobiles le long des axes;
une alimentation en gaz se reliant à l'au moins une entrée de gaz de l'outil d'usinage pour injecter du gaz dans la chambre; et une unité de contrôle se connectant à l'outil d'usinage et aux organes de déplacement, l'unité de contrôle étant programmable pour opérer les organes de déplacement et l'outil d'usinage suivant un mode de contrôle en boucle fermée afin d'effectuer l'usinage de la pièce.
Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé une méthode pour usiner une pièce de structure sous l'eau avec un outil d'usinage ayant un moteur submersible et un élément d'usinage couplé au moteur, comprenant les étapes de:

4 fixer une structure de support et de guidage de l'outil d'usinage par rapport à la pièce à usiner, la structure de support et de guidage ayant des éléments mobiles submersibles et des éléments de guidage submersibles correspondants définissant des axes le long desquels les éléments mobiles sont déplaçables, et des organes de déplacement des éléments mobiles le long des axes pour positionner l'outil d'usinage par rapport à la pièce à usiner, l'outil d'usinage étant fixé à un des éléments mobiles à
portée de la pièce à usiner lorsque la structure de support et de guidage est fixée par rapport à la pièce à usiner, les éléments mobiles et les éléments de guidage ayant une rigidité résistant à des efforts produits par l'outil d'usinage lorsque l'outil d'usinage est en opération;
doter l'outil d'usinage d'une chambre recevant une partie entraînée de l'élément d'usinage, et d'au moins une entrée de gaz communiquant avec la chambre;
alimenter en gaz l'au moins une entrée de gaz de l'outil d'usinage pour injecter du gaz dans la chambre; et opérer les organes de déplacement et l'outil d'usinage suivant un mode de contrôle en boucle fermée afin d'effectuer l'usinage de la pièce.
DESCRIPTION BREVE DES DESSINS
Une description détaillée des réalisations préférées de l'invention sera donnée ci-après en référence avec les dessins suivants:
Figure 1 est un diagramme schématique d'un robot pour usiner une pièce de structure sous l'eau selon la présente invention, en position de réfection d'un seuil de vanne de barrage.
Figure 2 est un diagramme schématique du robot avec deux modules longitudinaux assemblés l'un à l'autre.

5 Figure 3 est un diagramme schématique en perspective d'une fixation de module longitudinal.
Figure 4 est un diagramme schématique du robot de meulage avec un module longitudinal.
Figure 5 est un diagramme schématique en perspective d'une plateforme de support mobile du robot.
Figure 6 est un diagramme schématique en perspective d'un module de guidage transversal.
Figure 7 est un diagramme schématique en perspective d'un module de guidage de poussée et d'un boîtier électrique du robot.
Figure 8 est un diagramme schématique en perspective du boîtier électrique.
Figure 9A est un diagramme schématique de devant et en perspective d'un outil de meulage du robot, avec son garde ouvert.
Figure 9B est un diagramme schématique explosé de derrière et en perspective de l'outil de meulage.
Figure 10 est un diagramme schématique en coupe d'un boîtier de transmission de l'outil de meulage.
Figure 11 est un diagramme schématique de contrôle et de commande du robot.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DES RÉALISATIONS PRÉFÉRÉES

6 Tel qu'utilisé dans le cadre de cette divulgation, l'expression "structure sous l'eau"
comprend une structure qui peut être entièrement ou partiellement immergée ou submergée.
En référence à la Figure 1, le robot selon l'invention comporte une structure de support et de guidage 2 d'un outil de meulage 10 ou autre outil similaire pour usiner une pièce de structure sous l'eau telle qu'un seuil 14 de vanne d'un ouvrage hydro-électrique. La structure de support et de guidage 2 peut être descendue le long de deux encoches 18 près des voies de roulement 19 de la vanne de l'ouvrage 16 à
l'aide d'un système composé de levage tel un treuil, un pont roulant, etc.
(non illustré) afin de la positionner à une distance adéquate du seuil 14 pour le meulage et l'orienter parallèlement au seuil 14, à l'horizontale. La structure de support et de guidage 2 se fixe par rapport à la pièce à usiner 14 par exemple à l'aide de fixations 22 (une seule est visible dans la Figure) qui se coincent dans les encoches 18. Le contrôle du robot est effectué à partir d'un poste de commande 12.
En référence à la Figure 2, la structure de support et de guidage 2 comporte des modules de guidage longitudinal 4, de guidage transversal 6 ainsi que de guidage vertical (ou de poussée) 8. Les modules de guidage 4, 6, 8 comprennent des éléments mobiles submersibles comme les plateformes 48, 78, 108 et les éléments qui y sont associés, et des éléments de guidage submersibles correspondants comme les paires de rails 54, 76, 100 et les éléments qui y sont associés, définissant des axes le long desquels les éléments mobiles sont déplaçables pour positionner l'outil de meulage 10 par rapport à la pièce à usiner 14. L'outil de meulage 10 est fixé
à l'élément mobile à portée de la pièce à usiner 14 lorsque la structure de support et de guidage 2 est fixée par rapport à la pièce à usiner 14. Dans le cas illustré, l'outil de meulage 10 est fixé à la plateforme 108 servant d'élément mobile du module de guidage vertical 8.
Le module de guidage longitudinal 4 peut être composé d'un nombre de sous-modules longitudinaux 20 permettanrd'adapter la longueur du module de guidage

7 longitudinal 4 à l'espacement entre les éléments structuraux tels que les encoches 18 de la vanne de l'ouvrage 16 (illustrées à la Figure 1) entre lesquels la pièce à usiner 14 s'étend. Les sous-modules longitudinaux 20 s'assemblent les uns aux autres, par exemple, à l'aide de boulons et écrous (non illustrés). Le module de guidage longitudinal 4 a ainsi des extrémités opposées configurées pour s'assembler à
des extrémités opposées de modules similaires utilisés selon que l'espacement entre les éléments structuraux requière plus d'un sous-module longitudinal 20. Les extrémités opposées sont également configurées pour être dotées de fixations 22 se projetant et s'engageant dans les encoches 18 de la vanne de l'ouvrage 16 pour coincer la structure de support et de guidage du robot à la hauteur appropriée pour usiner le seuil 14 à l'aide de l'outil de meulage 10.
Un arrangement similaire peut être utilisé pour usiner un linteau 21, en orientant l'outil de meulage 10 à l'horizontale plutôt qu'à la verticale et en interchangeant le rôle des modules de guidage transversal et vertical 6, 8. Pour usiner les voies de roulement 19 près des encoches 18, le robot est utilisé dans une configuration similaire à celle du linteau 21 mais le module de guidage longitudinal 4 est alors disposé à la verticale. Les fixations 22 peuvent alors être configurées pour fixer le module de guidage longitudinal 4 au fond de l'une des encoches 18 ainsi qu'à la surface.
En référence à la Figure 3, la fixation 22 peut être composée d'un ensemble de deux patins de verrouillage 24 mobiles et d'un patin de guidage 26. Les patins de verrouillage 24 se projettent dans des directions opposées et sont fixés à des chariots à billes 28 submersibles qui glissent le long de deux rails 30 parallèles submersibles assurant une rigidité structurale adéquate et disposés sur une plaque de support 32 se fixant aux extrémités du module de guidage longitudinal 4 (illustré à la Figure 2).
Un vérin pneumatique 34 fixé à la plaque de support 32 a un piston 40 couplé à
des tiges articulées 36, 38 connectées aux patins 24. La tige 36 bouge le long d'un axe perpendiculaire aux deux rails 30 dans un plan parallèle à ces deux rails 30.
Une des extrémités de chaque tige 38 est assemblée à la tige 36 au niveau d'un axe de rotation 42 alors que l'autre extrémité est assemblée à l'un des patins 24 au niveau

8 d'un axe de rotation 44. Le vérin 34 peut ainsi être opéré pour que les tiges articulées 36, 38 déplacent les patins 24 entre des positions déployées et rétractée dans lesquelles, respectivement, les patins 24 s'engagent contre et se désengagent des encoches 18 correspondantes (illustrées à la Figure 1).
Dans cette configuration, un seul vérin pneumatique 34 permet de faire bouger les deux patins de verrouillage 24 en même temps. De plus, si les tiges 38 sont de même longueur, le déplacement de chaque patins 24 est identique tout comme l'effort qui leur est transmis par le vérin pneumatique 34. La course du vérin pneumatique 34 et la longueur des deux tiges 38 sont tels qu'ils empêchent les tiges 38 de devenir parallèles à la direction du mouvement du piston 40, ce qui entraverait le déplacement des patins de fixation 24 par le vérin pneumatique 34. De plus, le mouvement du piston 40 est arrangé pour éviter que les tiges 38 soient orientées parallèlement aux rails 30 afin de permettre à la force produite par le vérin pneumatique 34 d'être transmise aux patins de fixation 24 et coincer la structure de support et de guidage 2 du robot dans les encoches 18.
Le patin de guidage 26 facilite le mouvement de la structure de support et de guidage 2 lors de son installation dans les encoches 18 et protège les autres composantes de la fixation 22. Le patin de guidage 26 est fixé solidement à la plaque de support 32 et s'étend en parallèle aux deux patins de verrouillage 24.
En référence à la Figure 4, chaque sous-module longitudinal 20 est de préférence constitué d'un treillis de support 46 allongé dont la triangulation contribue à maximiser sa rigidité. Cela permet d'augmenter sa résistance aux vibrations, de minimiser sa défiection sous le poids des composantes supportées par la plateforme de support mobile 48 déplaçable le long du sous-module de guidage longitudinal 20, et de résister aux efforts induits par les tâches de meulage. Chaque extrémité du treillis de support 46 permet d'assembler, avec des boulons et écrous (non illustrés), soit une fixation 22, soit un treillis de support 46 similaire, permettant ainsi d'adapter la longueur de la structure de support et de guidage 2 du robot aux dimensions de la

9 vanne de l'ouvrage 16 (illustrée à la Figure 1). De plus, deux profilés de support 52 sont fixés au treillis de support 46 afin d'installer précisément des rails 54 parallèles l'un à l'autre et se projetant le long du treillis 46, permettant à la plateforme de support mobile 48 de coulisser sur les rails 54 grâce à des paliers lisses 56 de préférence en polymère, ou autres éléments de guidage comme des chariots à
billes (non illustrés).
En référence à la Figure 5, les paliers lisses 56 peuvent être au nombre de dix et sont distribués sur des côtés opposés de la plateforme mobile 48. Le nombre peut être différent si voulu, selon les besoins et pour résister au poids des composantes supportées par la plateforme de support mobile 48.
Un moteur rotatif 60 submersible, de préférence DC, est monté sur la plateforme mobile 48 et sert d'organe de déplacement de la plateforme mobile 48 le long de l'axe définit par les rails 54 (illustrés à la Figure 4). Le moteur rotatif 60 est couplé à un système de pignon-crémaillère 62, 64 qui permet au moteur 60 de générer une force de poussée nécessaire au mouvement longitudinal de la plateforme de support mobile 48. Le couple produit par le moteur rotatif 60 est transmis par le pignon 62 de transmission de puissance à la crémaillère 64 qui est fixée au profilé de support 52.
La crémaillère 64 étant immobile par rapport au treillis de support 46, la plateforme de support mobile 48 peut donc se déplacer longitudinalement le long des rails 54. Les positions de la crémaillère 64 et du moteur 60 peuvent être inversées si voulu, i.e. la crémaillère 64 fixée à la plateforme 48 et le moteur 60 monté sur le treillis 46.
Sur la même plateforme de support mobile 48 se trouve un encodeur de position angulaire 70 monté sur pignon-crémaillère 68, 64. Un mouvement longitudinal le long des rails 54 (illustrés à la Figure 4) est alors transformé par la crémaillère 64 en mouvement rotatif du pignon 68 de lecture et de l'encodeur de position angulaire 70.
La position angulaire fournie par l'encodeur 70 peut être traduite en position linéaire au poste de commande 12 (illustré à la Figure 2) qui transmet un signal de commande à un contrôleur de moteur 188 (illustré à la Figure 11) qui commande en puissance le moteur rotatif 60 pour asservir en position la plateforme de support mobile 48 le long des rails 54. Le moteur rotatif 60 et l'encodeur de position angulaire 70 sont connectés au poste de commande 12 à la surface par des câbles submersibles 66 (illustrés à la Figure 1).
En référence à la Figure 6, le module de guidage transversal 6 comporte un caisson de support 72 qui se fixe à une plaque 74 de la plateforme de support mobile (illustrés à la Figure 5) au moyen, par exemple, de boulons et écrous (non illustrés).
Des rails 76 profilés submersibles parallèles se projetant sur des côtés opposés du caisson 72 permettent à une plateforme mobile transversale 78 de se déplacer grâce à quatre chariots à billes 80 submersibles qui assurent une bonne rigidité du module de guidage transversal 6.
Un moteur linéaire 82 submersible sert d'organe de déplacement de la plateforme mobile 78 le long de l'axe définit par les rails 76. L'arbre magnétique 84 à
aimants permanents du moteur linéaire 82 est fixé sur le caisson 72, alors que la bobine 86 est fixée à la plateforme mobile transversale 78 de manière à ce qu'elle soit alignée avec l'arbre magnétique 84 (un arrangement inverse de l'arbre 84 et de la bobine 86 peut aussi être utilisé si voulu). Un encodeur linéaire 88 submersible permet de lire la position linéaire de la plateforme mobile transversale 78 le long des rails 76. La tige 90 de l'encodeur linéaire 88 est installée sur le caisson 72 parallèlement aux deux rails 76 et est disposée suffisamment loin de l'arbre magnétique 84 afin de respecter la susceptibilité électromagnétique de la tige 90. La tête de lecture 92 de l'encodeur linéaire 88 est quant à elle liée à la plateforme mobile transversale 78.
Ainsi, la position linéaire de la plateforme mobile transversale 78 est lue par la tête de lecture 92 le long de la tige 90. La position linéaire est ensuite asservie par le poste de commande 12 (illustré à la Figure 1) qui envoie un courant dans la bobine 86 pour créer une force transmise à la plateforme mobile transversale 78 afin de la déplacer.
Le déplacement de la plateforme mobile transversale 78 peut être limité par quatre butées d'arrêt 94 en caoutchouc installées deux à deux à chacune des extrémités du caisson 72. Une rainure 96 sur le caisson de support 72 facilite l'installation et le positionnement de câbles électriques (non illustrés) reliant le moteur linéaire 82 et l'encodeur linéaire 88 à un boîtier électrique 118 (illustré aux Figures 7 et 8).
En référence à la Figure 7, le module de guidage vertical (ou de poussée) 8 est similaire au module de guidage transversal 6 (illustré à la Figure 6). Le module 8 est composé d'un caisson de support 98 sur lequel sont fixés deux rails 100 profilés submersibles, un moteur linéaire 104 ayant un arbre magnétique 102 à aimants permanents, une tige d'encodeur linéaire (non illustrée) ainsi que quatre butées d'arrêts 106 en caoutchouc. Une plateforme mobile de poussée 108 se déplace le long des rails 100 par le biais de quatre chariots à billes 110 submersible disposés comme ceux du module du guidage transversal 6. Une bobine 112 et une tête d'encodeur (non illustrée) sont fixées à la plateforme mobile de poussée 108 et permettent respectivement de créer une force sur la plateforme mobile de poussée 108 et de lire la position linéaire de celle-ci le long des rails 100 et de la tige de l'encodeur. De plus, une rainure 116 facilite le déplacement des câbles électrique 66 (illustrés à la Figure 1). Le module de guidage de poussée 8 peut être fixé
sur la plateforme mobile transversale 78 du module de guidage transversal 6 (illustré
à la Figure 6) au moyen de boulons et écrous, de manière à ce que l'axe de déplacement soit perpendiculaire à l'axe de déplacement définit par le module du guidage transversal 6 et à l'axe de déplacement définit par le module de guidage longitudinal 4 (illustré à la Figure 4).
Un boîtier électrique 118 permet d'effectuer des jonctions entre des câbles (non illustrés) connectés aux différents composants électriques de la structure de support et de guidage 2 et les câbles 66 (illustrés à la Figure 1) montant à la surface et se connectant au poste de commande 12. Le boîtier électrique 118 peut être fixé
sur le caisson 98 du module de guidage de poussée 8 du côté opposé à la plateforme mobile de poussée 108.
En référence à la Figure 8, le boîtier électrique 118 comporte un caisson 120 et un couvercle 122 à travers lesquels les câbles (non illustrés) peuvent pénétrer.

L'étanchéité du boîtier électrique 118 est de préférence assurée grâce à un joint torique 124 en caoutchouc disposé entre le caisson 120 et le couvercle 122.
Les câbles pénètrent le boîtier électrique 118 via des dispositifs 123 de type passe-paroi assurant également l'étanchéité.
En référence aux Figures 9A et 9B, l'outil de meulage 10 comporte un moteur submersible 126, un boîtier de transmission 128 étanche, une meule 130 couplée au moteur 126 par l'entremise du boîtier de transmission 128, un garde mobile 132 définissant une chambre recevant une partie entraînée de la meule 130, ainsi que différentes pièces de support. Le garde 132 a une ouverture inférieure au travers de laquelle une partie de la meule 130 s'étend. La meule 130 est la composante qui, une fois mise en rotation, permet d'effectuer la réfection d'une pièce par enlèvement de matière. La meule 130 est fixée au boîtier de transmission 128 (détails illustrés à la Figure 10) qui lui transmet la puissance du moteur submersible 126 par le biais d'une courroie crantée 138 couplant deux poulies crantées, soit une poulie d'entraînement 134 et une poulie entraînée 136.
Le moteur submersible 126 est fixé à un support ajustable 140 qui permet de varier la tension de la courroie crantée 138. A cet effet, une vis 142 permet d'exercer une pression sur le support fixe 144 lorsqu'elle est vissée dans le support ajustable 140 et qu'elle entre en contact avec le support fixe 144. Des rainures 146 sur le support fixe 144 permettent au support ajustable 140 de se déplacer légèrement et d'exercer une tension sur la courroie crantée 138 puisque la poulie d'entraînement 134, le moteur submersible 126 et le support ajustable 140 sont tous fixés ensemble et donc se déplacent ensemble. Le support fixe 144 est fixé à un support principal 148, tout comme le boîtier de transmission 128.
L'outil de meulage 10 présente de préférence des caractéristiques afin de réduire les pertes de puissance dues, par exemple, à la rotation des poulies crantées 134, 136 et de la meule 130 ainsi qu'au mouvement de la courroie crantée 138. Les poulies crantées 134, 136 et la courroie crantée 138 sont couverts d'un caisson 150 et d'un = CA 02694883 2015-02-02 couvercle 152 (qui peuvent être en plastique), et de l'air (ou un autre gaz si voulu) est injecté autour des poulies 134, 136 et de la courroie 138 par un tube d'apport 154 lié
au caisson 150 lorsque le robot est en opération.
Le même principe d'injection d'air est utilisé pour la meule 130 à l'aide du garde mobile 132 et de tubes d'apport 156 d'air communiquant avec la chambre définie par le garde 132. Le garde 132 comporte de préférence une composante amovible 158 et une composante fixe 160 de même qu'un système de rails 162 et chariots à
billes 164 submersibles lui permettant de bouger dans la direction du système de guidage de poussée 8. La composante amovible 158 permet d'avoir accès à la meule 130 aisément pour en faire le changement lorsque l'usure maximale est atteinte. La composante amovible 158 peut être retirée et remise à sa place sur la composante fixe 160 à l'aide de vis ou encore s'installer avec un principe de glissières.
La composante fixe 160 est installée sur deux paires de chariots à billes 164 qui glissent le long de deux rails 162 parallèles. Les deux rails 162 sont fixés au support principal 148 de telle sorte qu'ils soient parallèles aux rails 100 du système de guidage de poussée 8 (illustré à la Figure 7). Cet ensemble de rails 162 et chariots à
billes 164 permet au garde mobile 132 de reculer passivement lorsqu'il entre en contact avec la surface de la pièce à réparer (par exemple, le seuil 14) et permet ainsi à la meule 130 de demeurer en contact avec la surface à réparer même si son diamètre diminue avec l'usure. En opération, de l'air est injecté dans le garde mobile 132 par les tubes d'apport 156 servant d'alimentation en gaz pour injecter du gaz dans la chambre définie par le garde 132 et ainsi expulser au moins une partie de l'eau qui s'y trouve afin de diminuer les pertes de puissance qui seraient dues à la rotation de la meule 130 complètement dans l'eau. Dans le cas illustré, deux tubes 156 vont à la composante amovible 158 et deux tubes 156 vont à la composante fixe 160. Les composantes 158, 160 comportent des rainures 166 permettant d'encastrer les tubes d'apport 156 d'air qui sont percés d'une multitude de petits trous le long des rainures 166 formant ainsi des canaux de diffusion d'air s'étendant le long de la surface intérieure du garde 132 afin de bien répartir la distribution d'air autour de la meule 130 et notamment autour de sa partie entraînée. De préférence, le garde 132 a une surface intérieure s'étendant à proximité de la meule 130 et dont la forme est adaptée à la meule 130, de manière à réduire la quantité d'air à injecter dans la chambre.
Il est à noter que l'assemblage de l'outil 10 illustré est adapté à une meule de type cylindrique. La position du moteur submersible 126, le choix des éléments de transmission. de puissance, la direction de l'axe de rotation de la meule 130 et la forme intérieure du garde 132, qui épouse de préférence le plus étroitement possible la géométrie de la meule 130, sont tous fonction du type de meule choisie ou plus généralement, dans le cas où l'outil d'usinage utilisé est différent comme dans le cas d'une fraiseuse, du type d'élément d'usinage de l'outil en question.
En référence à la Figure 10, le boîtier de transmission 128 comporte un caisson 168 dans lequel *se trouvent deux roulements à billes 170 qui supportent un arbre 172 de transmission. La puissance est transmise de la poulie crantée entraînée 136 à
la meule 130 par l'arbre 172. La poulie crantée 136 peut être vissée directement sur l'arbre 172 alors que la meule 130 peut être fixée par deux brides de serrage latéral 174, 176 pour avoir un soutien approprié grâce à une pièce de serrage 178. Le boîtier de transmission 128 peut fonctionner sous l'eau puisque que deux joints toriques 180, 182 et ,deux joints d'étanchéité rotatifs 184, 186 empêche l'eau d'atteindre les roulements à billes 170. De plus, ces roulements à billes 170 peuvent être choisis spécifiquement pour fonctionner convenablement de façon temporaire advenant un bris des joints toriques 180, 182 et/ou des joints d'étanchéité rotatifs 184, 186.
En référence à la Figure 11, il est montré un diagramme schématique simplifié
de contrôle et de commande du robot. La ligne pointillée 212 trace la limite entre ce qui est à la surface (au-dessus) et sous l'eau (au-dessous). Les blocs 190, 192, représentent les composantes électromécaniques des organes de déplacement du robot, comme les moteurs 60, 82, 104 et les encodeurs 70, 88, 114 (montrés aux Figures 5, 6 et 7), servant à déplacer les éléments mobiles comprenant les plateformes 48, 78, 108 le long des axes définis par les éléments de guidage comprenant les rails 54, 76, 100. Le bloc 196 représente les composantes électromécaniques de l'outil d'usinage 10, comme son moteur 126 (illustré aux Figures 9A et 9B) et ses circuits (non illustrés). Le bloc 198 représente le dispositif réducteur de pertes de l'outil d'usinage 10, comme le garde 132, le caisson 150 et les tubes d'apport d'air 154, 156 (illustrés aux Figures 9A et 9B).
Le poste de commande 12 (illustré à la Figure 1) comporte une unité de contrôle programmable pour opérer les organes de déplacement et l'outil d'usinage 10 suivant un mode de contrôle en boucle fermée afin d'effectuer l'usinage de la pièce.
L'unité
de contrôle comprend un ordinateur représenté par le bloc 202 doté de cartes d'interface =représentées par le bloc 204 se connectant aux composantes électromécaniques 190, 192, 194 des organes de déplacement et aux composantes électromécaniques 196 de l'outil d'usinage 10 par l'entremise de contrôleurs de moteurs 188.
Les contrôleurs de moteurs 188 ont des ports de communication se connectant aux cartes d'interface 204, des entrées d'alimentation en puissance, des sorties contrôlables de puissance se connectant aux composantes électromécaniques 190, 192, 194, 196 des organes de déplacement et de l'outil d'usinage 10, des entrées d'alimentation électronique, et des entrées de signaux de rétroaction se connectant aux composantes électromécaniques 190, 192, 194, 196 des organes de déplacement et de l'outil d'usinage. Des convertisseurs de puissance représentés par le bloc 208 ont des entrées d'alimentation électrique, et des sorties d'alimentation en puissance se connectant aux entrées d'alimentation en puissance des contrôleurs de moteurs 188. Un bloc d'alimentation représenté par le bloc 210 a une entrée d'alimentation électrique, et des sorties d'alimentation électronique connectées aux entrées d'alimentation électronique des contrôleurs de moteurs 188.
L'alimentation d'air comprend une électrovalve représentée par le bloc 200 ayant une entrée d'alimentation en gaz, un port de communication se connectant à une des cartes d'interface 204, et une sortie contrôlable de gaz se connectant au dispositif réducteur de pertes 198 de l'outil d'usinage 10. Les entrées d'alimentation électrique des convertisseurs de puissance 208 et du bloc d'alimentation 210 se connectent à
une source de courant alternatif représentée par le bloc 206.
Les composantes électromécaniques 190, 192, 194, 196 sont configurées pour recevoir des commandes de puissance des contrôleurs de moteurs 188. Les contrôleurs de moteurs 188 reçoivent des signaux de rétroaction des composantes électromécaniques 190, 192, 194, 196 afin d'assurer le contrôle en boucle fermée.
Les contrôleurs de moteurs 188 et les composantes électromécaniques 190, 192, 194, 196 sont ainsi reliés de façon bidirectionnelle. Le dispositif réducteur de pertes 198 est configuré pour recevoir de l'air comprimé de l'électrovalve 200 située à la surface. L'ordinateur 202 sert d'interface-opérateur au robot et peut commander l'électrovalve 200 et les contrôleurs de moteurs 188 ainsi qu'obtenir rétroaction des contrôleurs de moteurs 188 grâce à aux cartes d'interface 204 de l'ordinateur 202.
L'ordinateur 202 est configuré pour emmagasiner une cartographie d'une surface de la pièce à rectifier, préalablement obtenue par exemple à l'aide d'un système de cartographie tridimensionnelle tel que divulgué dans la demande PCT/CA2008/001769 (Mirallès et al.). L'ordinateur 202 est aussi configuré pour recevoir et traiter les signaux de rétroaction, et commander l'électrovalve 200 et les contrôleurs de moteurs 188 selon le mode de contrôle en boucle fermée utilisant les signaux de rétroaction, la cartographie de la surface de la pièce à usiner, et des paramètres programmables de rectification de la surface. Les signaux de rétroaction peuvent représenter des informations de position de la plateforme 48 par rapport à
l'axe défini par les rails 54, des informations de position des plateformes 78, 108 par rapport aux rails 76, 100 et le courant des moteurs 82, 104 ainsi que la vitesse et le courant de la meuleuse 10. Le mode de contrôle en boucle fermée peut notamment comprendre un asservissement en position des moteurs 60, 82, 104 par rapport aux informations de position produites par les encodeurs de position 70, 88, 114, ainsi qu'un contrôle en vitesse et courant (i.e. en puissance) du moteur submersible 126.
Un modèle empirique qui estime le taux d'enlèvement de matière en fonction des paramètres d'opération du robot peut être utilisé pour contribuer à la précision de la rectification. L'intervention d'un opérateur peut ainsi se limiter à lancer l'exécution des tâches, superviser leur exécution, et intervenir en cas de besoin.
L'ordinateur 202 peut aussi être configure pour opérer le robot en mode manuel ou semi-automatique afin d'effectuer des tâches particulières non préprogrammées.
Grâce à la construction décrite précédemment, le robot peut être utilisé dans une profondeur d'eau d'au moins 30 mètres. La structure mécanique spécialisée à la tâche assure une rigidité soutenant les efforts de meulage dans le cadre d'une réfection de structures d'acier ou autres. Le nombre de degrés de liberté et de pièces en mouvement est minimal afin d'assurer les mouvements requis par la tâche d'usinage, et la rigidité de chaque partie de la structure de support et de guidage est adaptée aux efforts auxquels elle est soumise. Les capacités de positionnement du robot, grâce aux dispositifs de mesure précis et la rigidité suffisante, jumelés à la stratégie de contrôle en boucle fermée, permettent d'effectuer la tâche de meulage ou autre usinage similaire de façon automatisée avec précision. Le dispositif de réduction des pertes permet d'éliminer la majorité des pertes en puissance qui seraient dues à la rotation de l'élément d'usinage de l'outil 10 dans un milieu liquide.
Cet aspect permet notamment de réduire la puissance nécessaire pour opérer l'outil d'usinage 10 et son volume.
Bien que des réalisations de l'invention aient été illustrées dans les dessins ci-joints et décrites ci-dessus, il apparaîtra évident pour les personnes versées dans l'art que des modifications peuvent être apportées à ces réalisations sans s'écarter de l'invention. Par exemple, les modules de guidage 2, 4, 6 peuvent être construits différemment, en autant que leurs constructions soient submersibles, présentent des rigidités résistant à des efforts produits par l'outil de meulage 10 et contribuant à la précision des déplacements de l'outil de meulage 10, et fournissent une portée adéquate de déplacement et de positionnement de l'outil de meulage 10 par rapport à
la pièce 14 pour une tâche de meulage ou autre usinage similaire. Les axes de déplacement des modules 4, 6, 8 peuvent être linéaires, courbés ou autres, selon que la pièce à usiner a une face plane, incurvée ou autre. Les moteurs 60, 82, peuvent être pneumatiques ou autres plutôt que DC si voulu, en autant qu'ils permettent des positionnements asservis des éléments mobiles. L'étendue de l'espace couvert par la chambre de l'outil d'usinage peut être réduite selon l'élément d'usinage utilisé et le taux de réduction des pertes de puissance visé. Par exemple, dans le cas d'une meule 130, la chambre peut ne couvrir que partiellement les côtés centraux de la meule 130, de sorte que la chambre sera séparée en deux par la meule 130. Les fixations 22 peuvent avoir d'autres configurations selon les formes des éléments structuraux de la structure immergée, en autant qu'ils soient en mesure de fixer solidement la structure de support et de guidage 2 par rapport à la pièce à
usiner. La construction de l'unité de contrôle du robot peut comprendre des circuits électroniques et électriques spécifiques plutôt qu'un ordinateur 202 si voulu.
D'autres types et configurations de dispositifs capables de mesurer les positions des éléments mobiles par rapport aux éléments de guidage peuvent être utilisés au lieu d'encodeurs de position si voulu. Le robot peut aussi être utilisé pour réaliser des travaux de réfection d'une structure immergée dans un port maritime, d'un puits de forage, d'une structure de pont, et d'une coque de bateau.

Claims

REVENDICATIONS:

1. Un robot pour usiner une pièce de structure sous l'eau, comprenant:
un outil d'usinage ayant un moteur submersible, un élément d'usinage couplé
au moteur, une chambre recevant une partie entraînée de l'élément d'usinage, et au moins une entrée de gaz communiquant avec la chambre;
une structure de support et de guidage de l'outil d'usinage se fixant par rapport à la pièce à usiner et ayant des éléments mobiles submersibles et des éléments de guidage submersibles correspondants définissant des axes le long desquels les éléments mobiles sont déplaçables pour positionner l'outil d'usinage par rapport à la pièce à usiner, l'outil d'usinage étant fixé à un des éléments mobiles à
portée de la pièce à usiner lorsque la structure de support et de guidage est fixée par rapport à la pièce à usiner, les éléments mobiles et les éléments de guidage ayant une rigidité
résistant à des efforts produits par l'outil d'usinage lorsque l'outil d'usinage est en opération;
des organes de déplacement des éléments mobiles le long des axes;
une alimentation en gaz se reliant à l'au moins une entrée de gaz de l'outil d'usinage pour injecter du gaz dans la chambre; et une unité de contrôle se connectant à l'outil d'usinage et aux organes de déplacement, l'unité de contrôle étant programmable pour opérer les organes de déplacement et l'outil d'usinage suivant un mode de contrôle en boucle fermée afin d'effectuer l'usinage de la pièce.

2. Le robot selon la revendication 1, dans lequel:
la structure présente des éléments structuraux entre lesquels la pièce à
usiner s'étend; et la structure de support et de guidage a un axe longitudinal dans lequel s'étend l'un des éléments de guidage dit élément de guidage longitudinal, le robot comprenant de plus des fixations se projetant à des extrémités opposées de l'élément de guidage longitudinal et opérables pour coincer la structure de support et de guidage entre les éléments structuraux de manière à ce que l'élément de guidage longitudinal s'étende substantiellement en parallèle à la pièce à usiner.

3. Le robot selon la revendication 2, dans lequel l'élément de guidage longitudinal comprend au moins un module longitudinal ayant des extrémités opposées configurées pour s'assembler à des extrémités opposées de modules similaires utilisés selon qu'un espacement entre les éléments structuraux requière plus d'un module longitudinal.

4. Le robot selon la revendication 2, dans lequel chaque fixation comprend:
un ensemble de patins dont deux se projettent dans des directions opposées et sont mobiles entre des positions déployée et rétractée dans lesquelles, respectivement, les patins s'engagent contre et se désengagent de l'élément structurel correspondant;
des tiges articulés connectées aux patins mobiles; et un vérin couplé aux tiges articulées et opérable pour que les tiges articulées déplacent les patins mobiles entre les positions déployée et rétractée.

5. Le robot selon la revendication 1, dans lequel les éléments de guidage dits éléments de guidage longitudinal, transversal et vertical et les axes correspondants s'étendent respectivement dans des directions longitudinale, transversale et verticale de la structure de support et de guidage, l'un des éléments de guidage vertical et transversal étant fixé à l'élément mobile correspondant à l'élément de guidage longitudinal, et l'autre des éléments de guidage vertical et transversal étant fixé à
l'élément mobile correspondant audit un des éléments de guidage vertical et transversal.

6. Le robot selon la revendication 5, dans lequel:
l'élément de guidage longitudinal comprend un treillis allongé ayant une triangulation contribuant à sa rigidité, et une paire de rails parallèles se projetant le long du treillis allongé, l'élément mobile correspondant comprenant une plateforme montée de manière coulissante sur les rails; et l'organe de déplacement de l'élément mobile correspondant à l'élément de guidage longitudinal comprend un moteur rotatif submersible ayant un pignon couplé
à une crémaillère s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal, la crémaillère et le moteur rotatif étant respectivement montés sur l'un et l'autre de l'élément de guidage longitudinal et l'élément mobile correspondant.

7. Le robot selon la revendication 5, dans lequel.
les éléments de guidage transversal et vertical comprennent des caissons respectifs et des paires de rails parallèles respectives se projetant le long des caissons correspondants, les éléments mobiles correspondants comprenant des plateformes respectives montées de manière coulissante sur les paires de rails correspondantes; et les organes de déplacement des éléments mobiles correspondants aux élément de guidage transversal et vertical comprennent des moteurs linéaires submersibles ayant des arbres magnétiques respectifs à aimants permanents s'étendant dans des directions longitudinales des caissons respectifs, les moteurs et leurs arbres magnétiques étant montés respectivement sur l'un et l'autre des éléments mobiles et des éléments de guidage correspondants.

8. Le robot selon la revendication 5, dans lequel les organes de déplacement comprennent des moteurs respectifs couplés opérationnellement aux éléments mobiles et aux éléments de guidage correspondants pour déplacer les éléments mobiles le long des axes en réponse à des commandes générées par l'unité de contrôle, et des encodeurs de position respectifs se connectant à l'unité de contrôle pour produire des informations de position des éléments mobiles le long des axes à
l'unité de contrôle, le mode de contrôle en boucle fermée de l'unité de contrôle comprenant un asservissement en position des moteurs par rapport aux informations de position produites par les encodeurs de position.

9. Le robot selon la revendication 8, dans lequel:
l'outil d'usinage est fixé à l'élément mobile correspondant à l'élément de guidage vertical; et la structure de support et de guidage comprend de plus un boîtier électrique monté sur l'élément de guidage vertical sur un côté opposé à l'outil d'usinage, le boîtier électrique ayant des ouvertures étanches pour recevoir des câbles connectant les moteurs et les encodeurs de position à l'unité de contrôle.

10. Le robot selon la revendication 1, dans lequel-l'élément d'usinage comprend une meule;
l'outil d'usinage comprend un garde définissant la chambre, le garde ayant une ouverture inférieure au travers de laquelle une partie d'un pourtour de la meule s'étend, et une surface intérieure s'étendant à proximité de la meule et ayant une forme adaptée à la meule; et l'outil d'usinage comprend une transmission couplant la meule au moteur, et un arrangement supportant le garde de manière coulissante par rapport à la meule pour que le garde recule à mesure que la meule s'use.

11. Le robot selon la revendication 10, dans lequel:
la transmission comprend un organe de transmission ajustable disposé dans un caisson définissant une espace intérieur;
l'outil d'usinage comprend au moins une entrée de gaz supplémentaire communiquant avec l'espace intérieur du caisson; et l'alimentation en gaz se reliant aussi à l'au moins une entrée de gaz supplémentaire pour injecter du gaz dans le caisson.

12. Le robot selon la revendication 10, dans lequel l'au moins une entrée de gaz comprend un canal de diffusion de gaz s'étendant le long de la surface intérieure du garde.

13. Le robot selon la revendication 1, dans lequel:

l'unité de contrôle comprend:
un ordinateur;
des cartes d'interface se connectant à l'ordinateur;
des contrôleurs ayant des ports de communication se connectant aux cartes d'interface, des entrées d'alimentation en puissance, des sorties contrôlables de puissance se connectant aux organes de déplacement et à
l'outil d'usinage, des entrées d'alimentation électronique, et des entrées de signaux de rétroaction se connectant aux organes de déplacement et à l'outil d'usinage;
des convertisseurs de puissance ayant des entrées d'alimentation électrique, et des sorties d'alimentation en puissance se connectant aux entrées d'alimentation en puissance des contrôleurs; et un bloc d'alimentation ayant une entrée d'alimentation électrique, et des sorties d'alimentation électronique connectées aux entrées d'alimentation électronique des contrôleurs, et l'alimentation en gaz comprend une électrovalve ayant une entrée d'alimentation en gaz, un port de communication se connectant à une des cartes d'interface, et une sortie contrôlable de gaz se connectant à l'outil d'usinage.

14. Le robot selon la revendication 13, dans lequel l'ordinateur est configuré
pour emmagasiner une cartographie d'une surface de la pièce à usiner, recevoir et traiter les signaux de rétroaction, et commander l'électrovalve et les contrôleurs selon le mode de contrôle en boucle fermée utilisant les signaux de rétroaction, la cartographie de la surface de la pièce à usiner, et des paramètres programmables de rectification de la surface de la pièce à usiner.

15. Le robot selon la revendication 13, dans lequel les signaux de rétroaction comprennent des signaux de position des éléments mobiles par rapport aux éléments de guidage correspondants, des signaux de courant des organes de déplacement, et des signaux de vitesse et de courant de l'outil d'usinage.

16. Le robot selon la revendication 1, dans lequel la pièce de structure à
usiner comprend une voie de roulement, un seuil ou un linteau de pertuis.

17. Une méthode pour usiner une pièce de structure sous l'eau avec un outil d'usinage ayant un moteur submersible et un élément d'usinage couplé au moteur, comprenant les étapes de:
fixer une structure de support et de guidage de l'outil d'usinage par rapport à la pièce à usiner, la structure de support et de guidage ayant des éléments mobiles submersibles et des éléments de guidage submersibles correspondants définissant des axes le long desquels les éléments mobiles sont déplaçables, et des organes de déplacement des éléments mobiles le long des axes pour positionner l'outil d'usinage par rapport à la pièce à usiner, l'outil d'usinage étant fixé à un des éléments mobiles à
portée de la pièce à usiner lorsque la structure de support et de guidage est fixée par rapport à la pièce à usiner, les éléments mobiles et les éléments de guidage ayant une rigidité résistant à des efforts produits par l'outil d'usinage lorsque l'outil d'usinage est en opération;
doter l'outil d'usinage d'une chambre recevant une partie entraînée de l'élément d'usinage, et d'au moins une entrée de gaz communiquant avec la chambre;
alimenter en gaz l'au moins une entrée de gaz de l'outil d'usinage pour injecter du gaz dans la chambre; et opérer les organes de déplacement et l'outil d'usinage suivant un mode de contrôle en boucle fermée afin d'effectuer l'usinage de la pièce.