FR2540945A1

FR2540945A1 - DIGITAL CONTROL ACTUATORS

Info

Publication number: FR2540945A1
Application number: FR8302303A
Authority: FR
Inventors: Philippe Guillemot
Original assignee: MECILEC SA
Current assignee: MECILEC SA
Priority date: 1983-02-14
Filing date: 1983-02-14
Publication date: 1984-08-17
Also published as: EP0118344A1

Abstract

LA PRESENTE INVENTION A POUR OBJET UN ACTIONNEUR COMPRENANT UN CYLINDRE, SON PISTON ET SA TIGE, CHAQUE CHAMBRE DU PISTON ETANT RELIEE D'UNE PART A UNE SOURCE DE FLUIDE SOUS PRESSION, ET D'AUTRE PART A L'ATMOSPHERE. IL EST CARACTERISE PAR LE FAIT QUE LA SOURCE DE FLUIDE A PRESSION CONSTANTE EST RELIEE A CHACUNE DES DEUX CHAMBRES PAR L'INTERMEDIAIRE D'UN DISPOSITIF ANTIRETOUR ET QUE LA COMMUNICATION ENTRE CHAQUE CHAMBRE ET L'ATMOSPHERE SE FAIT PAR UNE VALVE. ELLE SE RAPPORTE A DES ACTIONNEURS A COMMANDE NUMERIQUE.THE SUBJECT OF THE PRESENT INVENTION IS AN ACTUATOR INCLUDING A CYLINDER, ITS PISTON AND ITS ROD, EACH CHAMBER OF THE PISTON BEING CONNECTED ON THE ONE HAND TO A SOURCE OF FLUID UNDER PRESSURE, AND ON THE OTHER HAND TO THE ATMOSPHERE. IT IS CHARACTERIZED BY THE FACT THAT THE SOURCE OF FLUID AT CONSTANT PRESSURE IS CONNECTED TO EACH OF THE TWO CHAMBERS BY THE INTERMEDIATE OF A NON-RETURN DEVICE AND THAT THE COMMUNICATION BETWEEN EACH CHAMBER AND THE ATMOSPHERE IS THROUGH A VALVE. IT RELATES TO DIGITAL CONTROL ACTUATORS.

Description

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ACTIONNEURS A COMMANDE NUMERIQUEDIGITAL CONTROL ACTUATORS

La présente invention a pour objet des actionneurs à commande numé- The present invention relates to digitally controlled actuators

rique. L'art antérieur connaît de très nombreux actionneurs hydrauliques (ou plus généralement à liquides) ou pneumatiques (ou plus généralement à gaz) dans lesquels un fluide est introduit sous pression dans un cylindre et déplace ainsi le piston sur une distance de translation dépendant de la America. The prior art knows a very large number of hydraulic (or more generally liquid) or pneumatic (or more generally gas) actuators in which a fluid is introduced under pressure into a cylinder and thus displaces the piston over a distance of translation dependent on the

quantité de fluide introduit et de la pression (sans compter dans de nom- amount of fluid introduced and pressure (not counting

breux cas, de la température) Il existe également de très nombreux action- many cases, temperature) There are also many

neurs différentiels o l'on fait varier d'un cÈté et/ou de l'autre du pis- differentials where one side and / or the other of the piston is

ton les quantités et/ou les pressions de fluide On connaît aussi d'autres your quantities and / or the pressures of fluid We also know other

dispositifs à plusieurs fluides et/ou à cylindres et pistons multiples. devices with multiple fluids and / or cylinders and multiple pistons.

Ces actionneurs peuvent, selon leurs caractéristiques et les buts recher- These actuators may, depending on their characteristics and the desired

chés, servir de vérins et de commandes de vérins. used as jacks and cylinder controls.

Tous ces systèmes généralement conçus dans le cadre de régulations All these systems generally designed in the framework of regulations

hydrauliques et/ou pneumatiques s'adaptent souvent assez mal à des régula- hydraulics and / or pneumatics often adapt poorly to

tions informatisées car ils sont trop lents à réagir, trop imprécis dans leurs mouvements et généralement trop lourds La présente invention a donc pour objet des actionneurs à commande numérique permettant d'atteindre une computerized actuators because they are too slow to react, too imprecise in their movements and generally too heavy The present invention therefore relates to actuators with numerical control to achieve a

grande rapidité et une grande précision de réponse. high speed and high accuracy of response.

Pour ce faire, dans un cylindre on alimente l'une ou l'autre des cylindrées complémentaires situées de part et d'autre du piston à partir To do this, in a cylinder is fed to one or other of the complementary cylinders located on either side of the piston from

d'une source de fluide pression constante et de clapets anti-retour L'é- of a source of constant pressure fluid and non-return valves.

chappement est commandé de chaque côté par une électrovalve de préférence à commande numérique ce qui entraîne lorsque l'une des électrovalves entre exhaust is controlled on each side by a solenoid valve preferably with numerical control which causes when one of the solenoid valves between

en action le retour vers la pression d'échappement de-la cylindrée corres- in action the return to the exhaust pressure of the cubic capacity corresponding to

pondante et l'admission de gaz à partir de la source à travers le clapet anti-retour Un limniteur de débit intercalé sur l'alimentation en gaz permet and intake of gas from the source through the check valve A flow limiter interposed on the gas supply allows

de régler la vitesse de retour à la pression d'alimentation de la cylindrée. to adjust the speed of return to the supply pressure of the cubic capacity.

Pour mieux faire comprendre les caractéristiques techniques et les To better understand the technical characteristics and

avantages de la présente invention, on va en décrire un exemple de réali- advantages of the present invention, an exemplary embodiment of

sation d'ensemble et un exemple de réalisation d'électrovanne, étant bien entendu que ceux-ci ne sont pas limitatifs quant à leur mode de mise en oeuvre et aux applications qu'on peut en faire. On se reportera aux figures qui représentent schématiquement: la figure 1 une coupe axiale sur un vérin conforme à la-présente invention, et; la figure 2 une électrovalve en coupe axiale utilisable dans lesdits assembly and an embodiment of solenoid valve, it being understood that these are not limiting as to their mode of implementation and the applications that can be made. Referring to the figures which show schematically: Figure 1 an axial section on a cylinder according to the present invention, and; FIG. 2 a solenoid valve in axial section that can be used in said

vérins.cylinders.

A la figure 1, le corps 31 du vérin comprend essentiellement un cylindre 32 dans lequel coulisse un piston 33 associé à une tige 34 (simple ou comme sur la figure, symétrique) Les deux cylindrées complémentaires In Figure 1, the body 31 of the cylinder essentially comprises a cylinder 32 in which slides a piston 33 associated with a rod 34 (single or as in the figure, symmetrical) The two complementary cylinders

et 36 séparées par le piston 33 sont alimentées en gaz comprimé à pres- and 36 separated by the piston 33 are supplied with pressurized compressed gas.

sion de préférence constante à partir d'une source non représentée par un limiteur de débit réglable 37 et deux clapets anti-retour ou équivalents preferably constant from a source not represented by an adjustable flow restrictor 37 and two nonreturn valves or the like

38 et 39 amenant le fluide respectivement aux cylindrées 35 et 36 Les dis- 38 and 39 bringing the fluid respectively to the displacements 35 and 36.

positifs anti-retour 38 et 39 permettent donc l'alimentation des cylindrées mais ne permettent pas l'échappement Celui-ci s'effectue à l'aide de deux positive anti-return 38 and 39 thus allow the feeding of the displacements but do not allow the exhaust This one is carried out using two

électrovalves numériques 40 et 41 correspondant respectivement aux cylin- digital solenoid valves 40 and 41 respectively corresponding to the cylinders

drées 35 et 36 Ces électrovalves font communiquer les cylindrées avec une canalisation commune 42 permettant l'échappement en 43 La tige 34 peut 35 and 36 These solenoid valves communicate the displacements with a common pipe 42 allowing the exhaust 43 The stem 34 can

commander tout dispositif et par exemple une vanne ou un papillon de com- control any device and for example a valve or a throttle valve

mande. Les deux électrovalves peuvent être du type représenté à la figure mande. The two solenoid valves can be of the type shown in FIG.

2 Le corps 1 est monté entre l'une des cylindrées 35 ou 35 et l'échappe- 2 The body 1 is mounted between one of the displacements 35 or 35 and the exhaust

ment 42 Ceci correspond respectivement sur la figure 2 aux indices 2 et 3 (ou réciproquement) la valve elle-même est essentiellement constituée par le clapet lui-même 4 dont le trou central est normalement fermé par This corresponds respectively to the indices 2 and 3 in FIG. 2 (or vice versa). The valve itself essentially consists of the valve itself 4, the central hole of which is normally closed by

la bille 5 Le clapet est formé par un disque à bonnes propriétés mécani- the ball 5 The valve is formed by a disk with good mechanical properties

ques et étanche, par exemple réalisé en métal de faible épaisseur A titre illustratif, pour un disque dont le diamètre est de l'ordre de 10 à 30 mm, le disque aura une épaisseur de l'ordre de 0,10 à 0,40 mn, la bille ayant For example, for a disk having a diameter of about 10 to 30 mm, the disk will have a thickness of the order of 0.10 to 0.40 mn, the ball having

un diamètre de l'ordre de 1 à 3 mm. a diameter of the order of 1 to 3 mm.

Il est particulièrement avantageux que le disque soit légèrement bombé pour les raisons qui seront ci-après exposées Le disque 4 sépare It is particularly advantageous for the disc to be slightly convex for the reasons which will be hereinafter explained. Disc 4 separates

deux cavités de préférence cylindriques coaxiales, et de diamètres diffé- two preferably coaxial cylindrical cavities of different diameters

rents du côté 2 et du côté 3 Le-disque 4 est monté sur le plan de section droite séparant les deux cavités de volumes différents Il repose contre un joint 6 inséré dans une rainure circulaire et est collé contre une The disc 4 is mounted on the cross-sectional plane separating the two cavities of different volumes. It rests against a seal 6 inserted into a circular groove and is glued against a groove.

cellule piézoélectrique torique 7 maintenue en place par un bouchon de blo- toric piezoelectric cell 7 held in place by a stopper

cage 8 et un clip circulaire 9 qui vient se placer dans une gorge correspon- cage 8 and a circular clip 9 which is placed in a groove correspon-

dante du corps 1 Une rondelle 10 d'alimentation électrique est intercalée entre le tore piézoélectrique 7 et le bouchon 8 de blocage Ce dernier est 1 of the electrical power washer is interposed between the piezoelectric toroid 7 and the blocking plug 8 The latter is

percé en 11 pour mettre en communication le volume 3 et l'espace 12 com- pierced at 11 to port volume 3 and space 12 com

pris entre le bouchon 8 et le disque 4 Toutes ces pièces sont sensiblement coaxiales Au centre du bouchon 8 est vissée la pièce cylindrique filetée 13 qui porte en son extrémité côté clapet une douille tubulaire 14 dans laquelle peut se déplacer axialement la bille 5 Le fond de la douille 14 taken from the plug 8 and the disc 4 All these parts are substantially coaxial In the center of the plug 8 is screwed the threaded cylindrical piece 13 which carries at its end valve side a tubular sleeve 14 in which the ball 5 can move axially. the socket 14

est en matériau dur, par exemple une petite enclume circulaire 15 sur la- is of hard material, for example a small circular anvil 15 on the

quelle peut rebondir la bille La pièce filetée 13 est munie en 16 de tout moyen de vissage/dévissage pour régler son enfoncement et donc la distance entre disque 4 et enclume 15 entre lesquels se déplace la bille 5 Un The threaded piece 13 is provided at 16 with any screwing / unscrewing means for adjusting its depression and therefore the distance between disc 4 and anvil 15 between which the ball 5 moves.

contre-écrou 17 permet le blocage en position de la pièce filetée 13. against-nut 17 allows locking in position of the threaded piece 13.

Dans la cavité de moindre diamètre située du côté 2 par rapport au disque 4 est vissé un ensemble constitué par une vis de réglage 18 et In the cavity of smaller diameter located on the side 2 with respect to the disc 4 is screwed an assembly consisting of a set screw 18 and

un aimant torique 19.a toric magnet 19.

L'ensemble des pièces constitutives de la-valve est de préférence en matériaux non magnétiques à l'exception de la bille 5 et-de la vis 18 dont la partie centrale se prolonge en 20 pour recevoir l'aimant torique The assembly of the constituent parts of the valve is preferably made of non-magnetic materials with the exception of the ball 5 and the screw 18, the central portion of which extends into 20 to receive the toric magnet.

19 Vis 18 et aimant 19 peuvent être en alliage à base de cobalt et sama- Screw 18 and magnet 19 may be made of cobalt-based alloy and

rium.rium.

Ceci permet une bonne répartition des lignes de force du champ ma- This allows a good distribution of the main lines of the field.

gnétique et une action bien concentrée sur la bille 5 La vis 18 est percée en 21 pour permettre la communication entre le volume 2 et l'espace 22 situé entre le disque 4 et la vis 18 Le réglage de la vis 18 permet celui des forces d'attraction magnétiques agissant en rappel de la bille 5 contre son siège dans le disque 4 Ce siège peut être réalisé par exemple par électroérosion ou par ultrasons ce qui donne des arêtes vives puis on mate The screw 18 is pierced at 21 to allow the communication between the volume 2 and the space 22 located between the disc 4 and the screw 18. The adjustment of the screw 18 allows that of the forces of the ball. magnetic attraction acting as a reminder of the ball 5 against its seat in the disc 4 This seat can be made for example by electroerosion or ultrasound which gives sharp edges and then matte

l'arête avec une bille de même diamètre que la bille 5 pour créer le siège. the edge with a ball of the same diameter as the ball 5 to create the seat.

Lorsque la cellule piézoélectrique 7 est excitée entre la rondelle et la masse du dispositif à l'aide d'un circuit d'alimentation non représenté sur la figure les vibrations radiales de la cellule torique 7 se traduisent du fait du bombement du disque 4 par une vibration axiale When the piezoelectric cell 7 is excited between the washer and the mass of the device by means of a supply circuit not shown in the figure, the radial vibrations of the toric cell 7 are reflected by the bulging of the disc 4 by a axial vibration

de la partie centrale du disque et donc du siège de la bille 5 qui rebon- the central part of the disc and therefore the seat of the ball 5 which

dit entre ce siège entrant en vibration et l'enclume 15 Le réglage de po- said between the vibrating seat and the anvil 15 The adjustment of

sition de l'enclume 15 à l'aide de la pièce filetée 13 permet de rechercher the anvil 15 with the aid of the threaded part 13 makes it possible to search

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des conditions d'entrée en résonance de la bille à un harmonique de la fréquence de la cellule piézoélectrique (de l'ordre de 50 k Hz) pour donner une évaluation à titre illustratif L'amplitude de vibration de la bille est très faible de l'ordre de quelques microns ( 5 à 110 p par exemple), les accélérations étant de l'ordre de quelques centaines de fois celle de la conditions of resonance input of the ball at a harmonic frequency of the piezoelectric cell (of the order of 50 kHz) to give an evaluation for illustrative purposes The vibration amplitude of the ball is very low order of a few microns (5 to 110 p for example), the accelerations being of the order of a few hundred times that of the

pesanteur ( 250 à 350 g par exemple). gravity (250 to 350 g for example).

On conçoit donc que l'on dispose de nombreuses variables pour faire varier l'ouverture de l'éiectrovalve L'ouverture est commandée par envoi d'un train d'impulsions modulé à la fréquence voulue Le débit augmente avec la durée du train d'impulsions de modulation et en jouant sur la durée relative des trains d'impulsions de modulation et des temps morts séparant It is therefore conceivable that many variables are available to vary the opening of the solenoid valve. The opening is controlled by sending a modulated pulse train at the desired frequency. The flow increases with the duration of the train. modulation pulses and playing on the relative duration of modulation pulse trains and dead time separating

les trains d'impulsions de modulation Ceci peut être obtenu par tout cir- modulation pulse trains This can be achieved by any cir-

cuit classique, comprenant par exemple une porte ET recevant d'une part la fréquence d'excitation et d'autre part les créneaux de modification, conventional cook, comprising for example an AND gate receiving on the one hand the excitation frequency and on the other hand the modification slots,

suivie de l'amplificateur nécessaire pour disposer de la tension d'alimen- followed by the amplifier needed to provide the power supply

tation de la cellule piézoélectrique. tation of the piezoelectric cell.

L'intérêt de l'action quasi immédiate de la validation et du fonctions The interest of the almost immediate action of validation and functions

nement de l'électrovalve réside dans la grande rapidité et la grande préci- the solenoid valve lies in the great speed and precision of the

sion du fonctionnement.operation.

En revenant à la figure 1, on peut en ouvrant l'électrovalve 40 ou 41 admettre respectivement du gaz en 35 ou en 36 via 37 et respectivement Returning to FIG. 1, opening the solenoid valve 40 or 41 can respectively admit 35 or 36 gas via 37 and 37 respectively.

38 ou 39.38 or 39.

L'admission de gaz dans les chambres 35 et 36 se&fait à pression cons- The gas supply in rooms 35 and 36 is under constant pressure.

tante Le débit maximal de l'admission est défini par le limiteur 37 ce qui aunt The maximum flow of admission is defined by the limiter 37 which

permet de fixer ce débit maximal à une valeur légèrement inférieure au dé- allows this maximum flow to be set at a value slightly lower than the

bit maximal offert par les valves 40 et 41. maximum bit offered by valves 40 and 41.

Ces dernières étant fermées, les forces étant équilibrées de part et The latter being closed, the forces being balanced on both sides

d'autre du piston 33, celui-ci reste fixe. other than the piston 33, it remains fixed.

Si l'on suppose d'abord qu'aucune force extérieure n'agit sur le piston 33 par sa tige 34 et si l'une des valves 40 ou 41 est actionné, il If it is first assumed that no external force acts on the piston 33 by its rod 34 and if one of the valves 40 or 41 is actuated, it

en résulte une fuite de gaz de la cylindrée correspondante et une différen- this results in a gas leak of the corresponding cubic capacity and a difference

ce de pression apparait, d'o déplacement du piston 33, Si par exemple c'est this pressure appears, o displacement of the piston 33, if for example it is

la valve 40-qui est ouverte, la pression baisse dans la chambre 35 et le dé- the valve 40-which is open, the pressure drops in the chamber 35 and the de-

séquilibre entre 35 et 36 entraîne un déplacement du piston 33 vers 40 sen- between 35 and 36 causes the piston 33 to move towards

siblement proportionnel à la différence de pression Le mouvement se produit jusqu'à équilibre des forces, mais les clapets 38 et 39 entrent de leur côté proportional to the difference in pressure The movement occurs until the forces balance, but the valves 38 and 39 enter on their side

en jeu et tendent à ramener les pressions en 35 et 36 à la pression constan- at stake and tend to reduce the pressures at 35 and 36 to the constant pressure

te de la source.the source.

Dés que s'arrête l'actionnement de la Valve 40, la pression en 35 et 36 est ramenée à la normale et le piston est arrêté dans son mouvement A l'inverse si c'est la valve 41 qui est actionné, le piston se déplace As soon as the actuation of the valve 40 stops, the pressure at 35 and 36 is brought back to normal and the piston is stopped in its movement. Conversely, if it is the valve 41 that is actuated, the piston is moves

vers elle.towards her.

Si l'on suppose maintenant qu'une force F agit sur la tige 34 du piston 33, dirigée axialement dans le sens de 35 vers 36, pour que le If it is now assumed that a force F acts on the rod 34 of the piston 33, directed axially in the direction of 35 towards 36, so that the

piston 33 reste immobile, il faudrait actionner la valve 40 qui, entraî- piston 33 remains stationary, it would be necessary to actuate the valve 40 which,

nant une baisse de pression dans la chambre 35 provoquerait une différen- a decrease in pressure in room 35 would cause a difference

ce de pression de part et d'autre du piston 33 Dans ce cas, une force opposée à F sollicite le piston 33 en sens inverse et dès que les forces In this case, a force opposite to F urges the piston 33 in the opposite direction and as soon as the forces

sont équilibrées, le piston s'arrête Si cette force opposée à F est infé- are balanced, the piston stops If this force opposite to F is lower than

rieure, le piston se déplace dans le sens de F Si elle lui est supérieure the piston moves in the direction of F If it is higher than

le piston se déplace en sens inverse. the piston moves in the opposite direction.

Ces dispositifs permettent donc de déplacer la tige 34 et de comman- These devices therefore make it possible to move the rod 34 and to control

der tout dispositif tel qu'une vanne et ceci de façon très précise Ceci der any device such as a valve and this very precisely This

est possible même lorsqu'apparaissent des forces de réaction qu'il est pos- is possible even when reaction forces appear which are pos-

sible de vaincre tout en gardant la maîtrise du positionnement précis du to defeat while keeping control of the precise positioning of the

piston et de sa tige.piston and its stem.

En agissant sur les valves 40 et 41, on peut donc commander des dé- By acting on the valves 40 and 41, it is therefore possible to control

placements pas à pas précis de la tige 34 et des dispositifs qu'elle peut entraîner ce qui permet notamment de réaliser un actionnement numérique 9 dès lors que différences de pression et pas de translation du piston sont precise step-by-step placements of the rod 34 and the devices which it can cause, which makes it possible in particular to carry out a digital actuation 9 when the pressure differences and the piston translation are not different.

sensiblement proportionnels.substantially proportional.

Claims

1. Actuator comprising a cylinder, its piston and its stem, each

piston chamber being connected on the one hand to a source of fluid under pressure.

in the atmosphere, characterized in that the source of constant pressure fluid is connected to each of the two chambers via a non-return device and the communication between

every room and atmosphere is done through a valve.

2. Actuator according to claim 1, characterized by the fact

that the valves are piezo-controlled valves.

Actuator according to one of claims 1 or 2, characterized

in that it is applied to the digital control of valves.