CH691719A5 - Table X-Y pour déplacer une charge, telle qu'un outil, selon deux directions perpendiculaires. - Google Patents

Description

  



  La présente invention est relative aux tables X-Y destinées à assurer les déplacements de charges diverses selon deux axes perpendiculaires. 



  Plus particulièrement, l'invention concerne de telles tables X-Y utilisées pour déplacer des charges avec une très grande dynamique de mouvement et une haute précision, exigences qui sont souvent imposées à des machines conçues pour effectuer des opérations de fabrication sur des objets de faibles, voire très faibles dimensions comme les circuits intégrés par exemple. Dans ce domaine en particulier, on demande aux tables X-Y une précision de positionnement d'un micromètre ou moins, une vitesse de déplacement sur chaque axe de plusieurs m/s et une grande rigidité aussi bien statique que dynamique. 



  Une application d'une table X-Y selon l'invention à laquelle celle-ci n'est évidemment nullement limitée, est celle des machines de soudage des fils de connexion aux circuits intégrés (opération que l'on désigne souvent par l'expression anglaise de "bonding"). 



  Une telle table est décrite dans le brevet suisse CH 678 907. Elle comporte une embase sur laquelle est fixée une plaque de glissement. Sur cette plaque peut coulisser avec un frottement très réduit un chariot qui supporte la charge et auquel sont associés des moyens de guidage qui astreignent le chariot à se déplacer selon deux directions perpendiculaires X et Y. Des moteurs sont prévus pour animer le chariot. Ils sont conçus de telle manière que le moteur affecté au déplacement selon l'une des directions admet le déplacement du chariot selon l'autre direction. Les éléments mobiles des moteurs sont couplés directement au chariot et leurs éléments fixes sont placés sur l'embase de la table. 



  Dans l'une des variantes de réalisation décrite dans ce document antérieur et présentée à la fig. 3 de celui-ci, chaque moteur comporte une culasse magnétique formée de deux pièces ferromagnétiques placées l'une au-dessus de l'autre avec un certain intervalle entre elles. Cet intervalle constitue un entrefer dans lequel se déplace l'élément mobile du moteur, cet élément étant directement couplé au chariot. Une bobine est enroulée sur chaque pièce ferromagnétique. Les bobines coopèrent avec des aimants portés par l'élément mobile. 



  Si on considère dans cette construction le moteur ayant comme direction active la direction X par exemple, les pièces ferromagnétiques et l'entrefer ont, dans la direction non active Y de ce moteur, une étendue inférieure à la dimension dans cette même direction de l'élément mobile. Cet agencement permet ainsi le déplacement selon la direction Y de l'élément mobile destiné à la direction active X. 



  Par ailleurs, l'axe d'enroulement des bobines dans ce même moteur est orienté dans la direction X de sorte que le flux magnétique trace une boucle virtuelle dont le plan général est parallèle à la direction X et dont l'axe central s'étend dans la direction Y. 



  On ne peut concevoir cette construction connue qu'avec quatre pâles statoriques, c'est-à-dire deux par pièce ferromagnétique, ce qui a pour conséquence une course limitée de l'élément mobile selon sa propre direction active. Comme chaque moteur est affecté de ce même défaut, les courses du chariot dans les deux directions sont limitées dans la même mesure. 



  Cette construction des moteurs de la table présente un autre inconvénient grave consistant en ce que dans chaque moteur l'ouverture traversante définie par l'entrefer dans lequel est situé l'élément mobile est orientée perpendiculairement à la direction active de ce moteur de sorte que la force de traction qu'il exerce sur le chariot présente un bras de levier engendrant un moment de force sur ce chariot dans le plan des directions actives au détriment d'une bonne dynamique des mouvements, car ce moment de force tend à faire tourner le chariot autour d'un axe perpendiculaire à ce plan. 



  L'invention a pour but de fournir une table X-Y à très grande dynamique dans laquelle les inconvénients de la table selon l'antériorité citée sont éliminés. 



  L'invention a donc pour objet une table X-Y destinée à déplacer une charge telle qu'un outil, selon deux directions actives mutuellement perpendiculaires, cette table comprenant:
 - une embase,
 - un chariot adapté pour recevoir ladite charge et monté mobile sur l'embase selon lesdites deux directions par l'intermédiaire de moyens de coulissement, et
 - deux moteurs électriques linéaires agencés pour entraîner ledit chariot respectivement selon les deux directions actives, et comprenant chacun un élément statorique fixe et un élément mobile couplé audit chariot, l'un de ces éléments étant pourvu de bobines d'excitation et l'autre de ces éléments étant pourvu d'aimants permanents pour appliquer audit chariot des forces de déplacement selon la direction active du moteur considéré,

   tout en autorisant une mobilité dudit élément mobile dans l'autre direction par rapport audit élément statorique, cette table étant caractérisée en ce que les axes d'enroulement desdites bobines d'excitation et les axes d'aimantation desdits aimants sont parallèles entre eux et perpendiculaires au plan défini par lesdites directions perpendiculaires, et en ce que l'étendue des bobines ou des aimants se trouvant sur l'élément statorique de l'un des moteurs est sensiblement égale ou supérieure à la course du chariot dans la direction active de l'autre moteur. 



  Grâce à ces caractéristiques, dans chaque moteur, les conditions de couplage magnétiques entre l'élément statorique et l'élément mobile reste les mêmes quelle que soit la position de l'élément mobile de ce moteur dans la direction qui n'est pas sa direction active. 



  D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels: 
 
   la fig. 1 est une vue en perspective schématique d'une table X-Y selon l'invention; 
   la fig. 2 est une vue en perspective plus détaillée de cette table montrant notamment un exemple d'une charge pouvant être animée par la table, ici un poste de soudure destiné à effectuer des opérations de "bonding"; 
   la fig. 3 est une vue en plan de la table X-Y représentée sur la fig. 2; 
   la fig. 4 est une vue en perspective, à plus grande échelle, de l'un des moteurs linéaires utilisés dans la table X-Y selon l'invention; 
   la fig. 5 montre une vue en perspective du stator démonté de l'un des moteurs linéaires;

   
   la fig. 6 est une vue en plan schématique montrant l'élément mobile de l'un des moteurs linéaires de la table X-Y selon l'invention, pour illustrer plus particulièrement son bobinage; 
   la fig. 7 montre schématiquement par une vue en coupe horizontale et avec arrachement partiel, une variante de moteur linéaire pouvant être utilisée dans la table X-Y selon l'invention; 
   la fig. 8 est une vue prise selon la flèche VIII de la fig. 7; 
   la fig. 9 est une vue analogue à celle de la fig. 7, montrant une autre variante d'un moteur linéaire utilisable; 
   la fig. 10 est une vue prise selon la flèche X de la fig. 9; et 
   la fig. 11 montre par une vue schématique en plan une variante de la table X-Y selon l'invention. 
 



  On va tout d'abord se référer à la fig. 1 pour expliquer le principe de fonctionnement d'une table X-Y selon l'invention. 



  La table X-Y comprend trois unités principales, à savoir une unité A de déplacement X-Y, un premier moteur linéaire B assurant les déplacements selon la direction active X et un second moteur linéaire C assurant les déplacements selon la direction active Y, perpendiculairement à la direction X, les moteurs linéaires B et C étant de construction identique. On entend par "direction active", celle dans laquelle s'exerce la force de traction ou de poussée du moteur linéaire considéré. 



  L'unité de déplacement A comprend une plaque d'embase 1 reposant sur un plan de travail quelconque (non représenté), cette plaque ayant dans l'exemple décrit une forme sensiblement rectangulaire. Sur cette plaque peut coulisser selon la direction X et par l'intermédiaire de moyens de roulement appropriés (non représentés sur la fig. 1) un premier plateau 2. Sur ce premier plateau peut coulisser selon la direction Y et par l'intermédiaire de seconds moyens de roulement appropriés (également non représentés) un second plateau 3 qui à son tour porte un chariot 4 destiné à supporter une charge CH. Dans la figure simplifiée de la fig. 1, cette charge CH est simplement symbolisée par un bloc représenté en pointillés.

   Tous ces éléments ont en plan la même forme rectangulaire, d'autres formes et des différences de forme entre les éléments étant cependant possibles. On notera que les plateaux 2 et 3 et leurs moyens de roulement associés forment ensemble des moyens de coulissement pour le chariot 4 permettant à celui-ci de se déplacer avec un frottement minimal dans les deux directions X et Y. Bien entendu, des moyens de coulissement de constructions différentes mais assurant le même résultat peuvent être employés (paliers à air ou magnétiques, par exemple). 



  Les moteurs linéaires B et C comprennent chacun un élément statorique 5 et un élément mobile 6, ce dernier étant rigidement solidaire du chariot 4, par l'intermédiaire d'une pièce de connexion 7 et à l'aide d'un boulonnage approprié, par exemple. 



  Dans le mode de réalisation décrit à titre d'exemple en référence aux fig. 1 à 6, on peut distinguer deux groupes de masses respectivement en mouvement dans les directions actives X et Y. Ces deux groupes de masses en mouvement comportent chacun le chariot 4 et le plateau 3, le groupe de masses entraîné selon l'axe X comportant en plus le plateau 2. Ces deux groupes de masses en mouvement ont respectivement des centre de gravité GX et GY. Les forces motrices résultantes FB et FC que produisent les moteurs B et C sont orientées selon des directions qui passent par des points virtuels d'application de forces alignés de préférence avec les centres de gravité GX et GY lorsque les plateaux 2 et 3 sont entièrement superposés l'un à l'autre.

   Dans l'exemple de la fig. 1, on peut observer que l'axe Z sur lequel sont situés les centres de gravité GX et GY ne passe pas forcément par le centre géométrique du chariot 4, mais qu'il peut être décalé par rapport à ce centre selon la répartition des masses qui constituent la charge CH. 



  Il est à noter que, si on utilise une suspension du chariot 4 assurée par des paliers à air ou magnétiques, les centres de gravités GX et GY seront confondus et qu'il est alors possible d'agencer la table X-Y selon l'invention avec sa charge CH de manière que lesdits points virtuels d'application de forces et le centre de gravité unique des masses en mouvement sont confondus. 



  Chaque moteur B et C présente non seulement un degré de liberté selon sa propre direction active X ou Y, mais également un degré de liberté supplémentaire, DLB et DLC, respectivement, selon la direction active de l'autre moteur. Ce degré de liberté supplémentaire correspond à une certaine course indiquée respectivement par DB et DC sur la fig. 1 et déterminée par construction de chaque unité motrice B ou C. Dans l'exemple représenté, les courses DB et DC sont égales, mais ceci n'est pas une condition obligatoire. 



  Les fig. 2 et 3 montrent une table X-Y conforme à l'invention selon un mode de réalisation préféré dans lequel elle comporte les mêmes éléments déjà décrits à propos de la fig. 1. On signalera cependant que cette figure illustre en outre une forme possible des moyens de roulement interposés entre la plaque d'embase 1 et le premier plateau 2, d'une part, et ce premier plateau 2 et la plate-forme 4, d'autre part. Ces moyens de roulement sont formés par des roulements linéaires respectifs 8a-8b et 9a-9b. 



  On voit par ailleurs que chaque moteur B et C présente des ailettes de refroidissement 10. 



  On notera enfin que dans l'exemple décrit, le chariot 4 porte une charge formée par une unité de soudage O, connue en soi et présentant notamment un outil de soudage OS apte à exécuter des soudures notamment sur des bornes de circuits intégrés (opération de "bonding"). Cette unité de soudage S est connue en soi et comme elle ne fait pas partie de l'invention, elle ne sera pas décrite en détail. 



  Bien entendu, de façon également connue en soi, la table X-Y peut être équipée de capteurs de position (non représentés) pour détecter en permanence les positions en X et Y du chariot 4 et élaborer des signaux de position utilisables par des boucles de réglage commandant les mouvements du chariot 4 en fonction de signaux de consigne en engendrant des signaux d'erreur appliqués de façon connue en soi aux unités motrices B et C. 



  Les fig. 4 et 6 représentent la construction selon l'invention des moteurs linéaires B et C. 



  L'élément statorique 5 comprend deux plaques 11a et 11b de forme sensiblement rectangulaire et réalisées en une matière ferromagnétique appropriée. Chaque plaque est équipée d'une série d'aimants 12a et 12b juxtaposés alternativement de polarités nord et sud, les aimants N 12a de l'une des plaques se trouvant en face d'aimants S 12b de l'autre plaque. Les plaques 11a et 11b sont maintenues à une distance bien déterminée l'une de l'autre par l'intermédiaire de pièces d'entretoise 13a et 13b qui reprennent les forces d'attraction des aimants 12a et 12b en déterminant en même temps deux entrefers du moteur. Les axes d'aimantation AA de tous les aimants 12a et 12b de chaque moteur sont parallèles entre eux et perpendiculaires au plan défini par les directions actives X et Y.

   Ces axes d'aimantation sont indiqués globalement par les flèches AA sur les fig. 2 et 4, et sur la fig. 5 pour ce qui concerne les aimants de la plaque inférieure 11a d'un moteur. 



  On notera par ailleurs, que l'étendue des aimants 12a et 12b (c'est-à-dire leur longueur) est sensiblement égale ou supérieure à la course respective DB ou DC de chaque moteur B ou C selon le second degré de liberté de l'élément mobile 6 du moteur considéré. 



  L'élément mobile 6 de chaque moteur linéaire B ou C comprend une plaque 14 (fig. 2, 4 et 6) de forme sensiblement rectangulaire et d'une largeur nettement inférieure à l'écartement des entretoises 13a et 13b pour autoriser le second degré de liberté du moteur considéré. 



  Un étrier 15 est fixé rigidement sur le bord de la plaque 14 tourné vers l'unité de déplacement A de la table X-Y. Cet étrier 15 sert de pièce de liaison de l'élément mobile 6 à la pièce de connexion 7 à laquelle il est fixé solidement par boulonnage, par exemple. L'étrier 15 est également destiné à la connexion électrique de la partie mobile 6 à un circuit d'alimentation et de commande extérieure (non représenté), par l'intermédiaire d'une gaine 16. 



  Deux groupes de bobines 17a et 17b sont disposés dans la plaque 14 par exemple en y étant incorporés par moulage. La plaque 14 est réalisée en une matière à haute résistance mécanique et à haute conductibilité thermique, par exemple une matière plastique moulée chargée de fibres de carbone dans laquelle les groupes de bobines 17a et 17b sont incorporés par moulage. A titre de variante non illustrée sur les figures, on peut utiliser également pour refroidir le moteur, un refroidissement à air forcé ou à eau, intégré dans la plaque 14. 



  On peut augmenter la résistance à la flexion de la plaque 14 perpendiculairement à sa direction de déplacement, en la revêtant d'une couche 18, deux textures superficielles, lisse, uniforme et parfaitement plane, en un matériau rigide et non magnétique, comme l'époxy ou la céramique, matériau avec lequel seront également couverts les aimants permanents 12a et 12b du stator 5 (couches 19, voir fig. 5). De cette manière, il est possible de définir un jeu mécanique très faible dans les entrefers du moteur, jeu dans lequel la couche d'air pourra fonctionner comme amortisseur d'éventuelles vibrations. Cet agencement présente en outre l'avantage d'améliorer le transfert thermique entre les bobines et les aimants, ce qui permet d'augmenter la puissance efficace du moteur pour un dimensionnement donné de ces composants. 



  Dans l'exemple décrit, les groupes de bobines 17a et 17b sont agencés de telle manière que le moteur B ou C soit de type synchrone biphasé. Bien entendu, cet agencement n'est choisi qu'à titre d'exemple, tout agencement des bobines, par exemple en groupes ou en continu, bi ou triphasé étant également possible. 



  Dans l'exemple décrit qui suit, chaque groupe comporte trois bobines 20 et 21, respectivement, formant alternativement des pôles N et S, les deux groupes étant décalés d'une distance qui est la moitié du pas des bobines. Chaque bobine 20 et 21 est enroulée à plat dans la plaque 14 selon un axe d'enroulement parallèle aux axes d'aimantation AA des aimants de l'élément statorique 5. De cette manière, lorsqu'elles sont parcourues par un courant, elles engendrent alternativement des pôles N et S, dont la direction d'aimantation correspond à celles des aimants 12a et 12b. 



  L'agencement du moteur linéaire que l'on vient de décrire permet de conserver les mêmes conditions de couplage magnétique entre l'élément statorique 5 et l'élément mobile 6 quelle que soit la position de l'élément mobile 6 dans l'élément statorique 5 selon la direction qui n'est pas la direction active de ce moteur. 



  Les fig. 7 et 8 montrent une variante de moteur linéaire B ou C selon l'invention qui comporte un élément statorique 5A comportant un jeu de bobines 22 et un élément mobile 6A pourvu d'aimants permanents 23 (dans la fig. 7, l'une des plaques de l'élément statorique est enlevée). Dans ce cas, les aimants auront une étendue transversale à la direction de déplacement plus faible que celle des bobines afin de permettre le second degré de liberté du moteur. Les bobines 22 peuvent être disposées en couches dans les plaques 11 ou être logées dans des encoches. Les culasses seront alors de préférence feuilletées en tôles de matériau magnétique.

   On notera que dans ce cas également les axes d'enroulement des bobines 23 et les axes d'aimantation des aimants 22 sont parallèles entre eux et perpendiculaires au plan des directions actives des deux moteurs B et C de la table X-Y. 



  Les fig. 9 et 10 montrent une autre variante de moteur linéaire B ou C qui peut comporter un élément statorique 5B réalisé comme représenté sur la fig. 5 et un élément mobile 6B comportant un empilement de tôles 24 avec des bobines 25 disposées dans des encoches. Les axes d'enroulement et d'aimantation sont agencés de la même façon que dans les précédents modes de réalisation. 



  Les variantes des fig. 7 à 10 peuvent présenter par ailleurs des couches de revêtement définissant une surface plane et uniforme et une circulation forcée d'air peut être prévue, comme cela a été décrit précédemment à propos du mode de réalisation préféré des fig. 4 à 6. 



  En revenant à la fig. 3, on peut observer que les paramètres d'accélération et de freinage de l'un des moteurs B ou C peuvent se trouver affectés d'un couple parasite dû à la masse mobile de l'autre moteur. On peut y remédier en décalant légèrement le point d'application de la force motrice de l'un des moteurs vers l'autre moteur. Par exemple, comme déjà indiqué, on peut décaler l'application des forces dues au moteur B, vers la gauche sur la fig. 3 par rapport au centre de gravité G, pour compenser l'influence de la masse mobile de ce moteur. Une même compensation peut être introduite pour ce qui concerne ce moteur B pour compenser l'influence de la masse mobile du moteur C. 



  La fig. 11 illustre une variante de la table X-Y selon l'invention permettant d'obtenir une compensation de cette influence moyennant l'utilisation d'un seul moteur B ayant comme direction active la direction X et dont la masse mobile est compensée par celle de l'outillage OS en porte-à-faux par rapport à l'unité de déplacement A, tandis que le moteur linéaire C est divisé en deux unités motrices C1 et C2 ayant comme direction active la direction Y, équilibrant le couple autour du point d'application des forces G. L'utilisation de deux unités motrices pour la direction active Y permet de réduire leurs dimensions et d'obtenir le maximum de dégagement à gauche et à droite de la zone de travail ZT balayée par l'outil OS. Cette disposition est particulièrement favorable dans le cas d'un outillage de soudage pour "bonding".

Claims (8)

1. Table X-Y destinée à déplacer une charge (CH; O, OS) telle qu'un outil, selon deux directions actives mutuellement perpendiculaires (X, Y), cette table comprenant: - une embase (1), - un chariot (4) adapté pour recevoir ladite charge (CH; O, OS) et monté mobile sur l'embase selon lesdites directions (X, Y) par l'intermédiaire de moyens de coulissement (3, 4, 8a, 8b, 9a, 9b); et - deux moteurs électriques linéaires (B, C;

B, C1, C2) agencés pour entraîner ledit chariot (4) respectivement selon lesdites deux directions actives (X, Y), chacun des moteurs comprenant un élément statorique fixe (5, 5A, 5B) et un élément mobile (6, 6A, 6B) couplé audit chariot (4), l'un de ces éléments étant pourvu de bobines d'excitation (20, 21; 22; 24) et l'autre de ces éléments étant pourvu d'aimants permanents (12a, 12b; 23) pour appliquer audit chariot (4) des forces de déplacement selon la direction active du moteur considéré (B, C;

B, C1, C2), tout en autorisant une mobilité dudit élément mobile dans l'autre direction par rapport audit élément statorique, cette table étant caractérisée en ce que les axes d'enroulement desdites bobines d'excitation (20, 21; 22; 24) et les axes d'aimantation (AA) desdits aimants (12a, 12b; 23) sont parallèles entre eux et perpendiculaires au plan défini par lesdites directions perpendiculaires (X, Y), et en ce que l'étendue des bobines ou des aimants se trouvant sur l'élément statorique (5; 5A; 5B) de l'un des moteurs est sensiblement égale ou supérieure à la course du chariot (4) dans la direction active de l'autre moteur.

2.

Table X-Y suivant la revendication 1, caractérisée en ce que dans chaque moteur (B, C; B, C1, C2), lesdites bobines (20, 21; 24) sont planes et enroulées dans des plans parallèles au plan formé par lesdites directions actives (X, Y) en s'étendant selon la direction active de l'autre moteur.

3. Table X-Y suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdites bobines (20, 21; 24) sont montées dans ledit élément mobile (6; 6B) de chaque moteur (B, C; B, C1, C2) et en ce que lesdits aimants (12a, 12b) sont montés dans ledit élément statorique (5; 5B).

4. Table X-Y suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdites bobines (22) sont montées dans ledit élément statorique (5A) de chaque moteur (B, C; B, C1, C2) et en ce que lesdits aimants (23) sont montés dans ledit élément mobile (6A).

5.

Table X-Y suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les éléments mobiles (6, 6A, 6B) des moteurs linéaires (B, C; B, C1, C2) sont couplés audit chariot (4) de telle manière que les forces motrices résultantes de ces moteurs agissent sur un point virtuel dudit chariot sensiblement confondu avec le centre de gravité des masses en mouvement selon les deux directions actives de la table X-Y.

6. Table X-Y suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que lesdites bobines (20, 21) sont réparties en groupes (17a, 17b) ou en bobines juxtaposées et de polarités telles que le moteur soit de type synchrone polyphasé.

7.

Table X-Y suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ledit élément mobile (6; 6A; 6B) présente de grandes faces situées en regard de surfaces de l'élément statorique, ces grandes faces et ces surfaces étant recouvertes de couches (18, 19) de texture superficielle lisse.

8. Table X-Y suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'au moins l'un desdits moteurs linéaires (C1, C2) est subdivisé en deux unités motrices placées de part et d'autre dudit chariot (4) afin de compenser le cas échéant un porte-à-faux de ladite charge (CH) en dehors du périmètre dudit chariot (4).