FR2800659A1

FR2800659A1 - The displacement device, for displacing object parallel to plane, consists of a five element kinematic chain with one fixed element, three pivots and two slides

Info

Publication number: FR2800659A1
Application number: FR9913920A
Authority: FR
Inventors: Christian Barra; Grigore Gogu; Pascal Ray
Original assignee: Process Conception Ingenierie SA
Current assignee: Process Conception Ingenierie SA
Priority date: 1999-11-05
Filing date: 1999-11-05
Publication date: 2001-05-11
Anticipated expiration: 2019-11-05
Also published as: FR2800659B1

Abstract

The displacement device consists of a kinematic chain of elements, designed to carry the object (14) to be displaced. The kinematic chain is closed and consists of a fixed element (16) and four moving elements (18 to 24). The elements are linked by pivots (P1 to P3) and slides (G1, G2).

Description

La présente invention concerne un dispositif de déplacement d'un objet sensiblement parallèlement à un plan. The present invention relates to a device for moving an object substantially parallel to a plane.

Elle s'applique en particulier au déplacement d'un outil d'usinage ou d'une pièce à usiner. It applies in particular to the movement of a machining tool or a workpiece.

On rappellera tout d'abord les définitions suivantes. The following definitions will first be recalled.

Une chaîne cinématique modélise un mécanisme regroupant au moins deux éléments reliés entre eux par au moins une liaison mobile, c'est-à-dire une liaison ayant au moins un degré de liberté. A kinematic chain models a mechanism grouping together at least two elements linked together by at least one movable link, that is to say a link having at least one degree of freedom.

Un schéma cinématique représente une chaîne cinématique au moyen de symboles normalisés des liaisons (voir exemple les figures 3, 7 et 10). Un graphe de structure représente une chaîne cinématique au moyen de cercles illustrant les éléments de la chaîne, et lignes, illustrant les liaisons de cette chaîne (voir par exemple la figure ). A kinematic diagram represents a kinematic chain by means of standardized symbols of the connections (see example in Figures 3, 7 and 10). A structure graph represents a kinematic chain by means of circles illustrating the elements of the chain, and lines, illustrating the links of this chain (see for example the figure).

Les chaînes cinématiques peuvent être élementaires ou composées, ouvertes (structure série) fermées (structures parallèles). Kinematic chains can be elementary or composed, open (series structure) closed (parallel structures).

Dans une chaîne cinématique élémentaire, chaque élément est relié aux autres éléments par au plus deux liaisons mobiles. La chaîne élémentaire est ouverte lorsque son graphe de structure est ouvert : la chaîne comprend un élément fixe relié à un seul élément mobile. La chaîne élémentaire est fermée lorsque son graphe de structure est fermé : la chaîne comprend un élément fixe rel ' à deux éléments mobiles (voir figure 4). In an elementary kinematic chain, each element is connected to the other elements by at most two mobile connections. The elementary chain is open when its structure graph is open: the chain includes a fixed element connected to a single mobile element. The elementary chain is closed when its structure graph is closed: the chain comprises a fixed element connected to two mobile elements (see Figure 4).

Les machines-outils d'usinage classiques sont habituellement constituées par un dispositif de deplacement de l'outil formant une chaîne cinématique élémentaire ouverte ou bien une chaîne cinématique fermée composée. Conventional machining machine tools are usually constituted by a tool displacement device forming an open elementary kinematic chain or else a closed closed kinematic chain.

Une machine-outil du type à chaîne cinématique élémentaire ouverte comprend, par exemple, un support fixe distal (éloigné de l'outil), formant embase, et support mobile proximal (proche de l'outil), portant l'outil, relié au support fixe distal par un support mobile intermédiaire. Le support mobile intermédiaire est relié au support fixe distal par une première liaison glissière. Le support mobile proximal est relié au support mobile intermédiaire par une seconde liaison glissière imposant un déplacement en translation sensiblement orthogonal au déplacement en translation imposé par la première liaison glissière. A machine tool of the open elementary kinematic chain type comprises, for example, a distal fixed support (distant from the tool), forming a base, and proximal movable support (close to the tool), carrying the tool, connected to the fixed distal support by an intermediate mobile support. The intermediate mobile support is connected to the distal fixed support by a first sliding link. The proximal movable support is connected to the intermediate movable support by a second slide link imposing a translational movement substantially orthogonal to the translational movement imposed by the first slide link.

Dans une chaîne cinématique élémentaire ouverte telle que ' dessus, il est nécessaire de surdimensionner le support mobile intermédiaire portant le support mobile proximal. est également nécessaire de surdimensionner les moyens de motorisation des liaisons glissieres. Par ailleurs, les défauts de positionnement du support mobile intermédiaire par rapport au support fixe discal et du support mobile proximal par rapport au support mobile intermédiaire s'ajoutent ce qui peut conduire à un défaut notable de la position de l'outil relié à la chaîne cinématique. Enfin, le surdimensionnement du support intermédiaire et la tendance au basculement des supports mobiles proximal et intermédiaire limitent les performances dynamiques de la chaîne cinématique. In an open elementary kinematic chain such as above, it is necessary to oversize the intermediate mobile support carrying the proximal mobile support. it is also necessary to oversize the motorization means of the slide links. In addition, the positioning defects of the intermediate mobile support relative to the fixed disc support and of the proximal mobile support relative to the intermediate mobile support are added which can lead to a significant defect in the position of the tool connected to the chain. cinematic. Finally, the oversizing of the intermediate support and the tendency to tilt of the proximal and intermediate mobile supports limit the dynamic performance of the kinematic chain.

Des machines-outils du type à chaîne cinématique fermée composée sont décrites par exemple dans FR-A-2 527 498, FR-A-2 688 437, WO-A-87/03 528 et US-A-4 819 496. Machine tools of the compound closed kinematic chain type are described for example in FR-A-2 527 498, FR-A-2 688 437, WO-A-87/03 528 and US-A-4 819 496.

rapport à une machine-outil à chaîne cinématique élémentaire ouverte, une machine-outil à chaîne cinématique composée presente essentiellement les avantages suivants. compared to an open elementary kinematic chain machine tool, a compound kinematic chain machine tool essentially has the following advantages.

chaîne cinématique composée comporte plusieurs chaînes cinématiques dans lesquelles est répartie la masse globale éléments mobiles si bien que les poids et dimensions de ces éléments mobiles sont relativement limités. Cette limitation du poids des éléments mobiles permet de limiter dimensions des moyens de motorisation nécessaires pour entraîner ces éléments mobiles. compound kinematic chain comprises several kinematic chains in which the overall mass of mobile elements is distributed so that the weights and dimensions of these mobile elements are relatively limited. This limitation of the weight of the mobile elements makes it possible to limit the dimensions of the motorization means necessary to drive these mobile elements.

Par ailleurs une chaîne cinématique composée est moins sensible aux erreurs de positionnement des éléments mobiles qu'une chaîne cinématique élémentaire. Furthermore, a compound kinematic chain is less sensitive to positioning errors of the moving elements than an elementary kinematic chain.

Néanmoins, une machine-outil à chaîne cinématique composée n'est pas sans inconvénient. However, a compound kinematic chain machine tool is not without drawbacks.

En effet, une chaîne cinématique composée est relativement complexe et requiert généralement des liaisons rotules dont la precision et la fiabilité peuvent être limitées. Par ailleurs la commande d'une chaîne cinématique composée est relativement complexe du fait notamment des problèmes de couplage entre les différents degrés de mobilité des liaisons. Par exemple, une modification de la position d'un élément entraîne une modification de son orientation ou encore un déplacement d'un élément suivant une seule direction requiert l'actionnement de tous les moyens de motorisation de la chaîne cinématique. Indeed, a compound kinematic chain is relatively complex and generally requires ball joints whose precision and reliability can be limited. Furthermore, the control of a compound kinematic chain is relatively complex due in particular to coupling problems between the different degrees of mobility of the links. For example, a modification of the position of an element leads to a modification of its orientation or even a displacement of an element in one direction requires the actuation of all the motorization means of the kinematic chain.

L'invention a pour but de proposer un dispositif de déplacement d'un obj sensiblement parallèlement à un plan présentant la simplicité de structure d'une chaîne cinématique élémentaire tout en bénéficiant des principaux avantages d'une chalne cinématique composée (faible poids des éléments mobiles, erreur limitée sur la position de l'objet déplacé). The invention aims to provide a device for moving an object substantially parallel to a plane having the simplicity of structure of an elementary kinematic chain while benefiting from the main advantages of a compound kinematic chain (low weight of the mobile elements , limited error on the position of the moved object).

A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de déplacement d'un objet sensiblement parallèlement à un plan, du type comprenant une chaîne cinématique élémentaire destinée à porter cet objet pour le déplacer, caractérisé en ce que la chaîne cinématique élémentaire est fermée. To this end, the subject of the invention is a device for moving an object substantially parallel to a plane, of the type comprising an elementary kinematic chain intended to carry this object for moving it, characterized in that the elementary kinematic chain is closed .

Suivant d'autres caractéristiques de ce dispositif - la chaîne cinématique élémentaire comprend un élément fixe et quatre éléments mobiles, les cinq éléments étant reliés entre eux par cinq liaisons, 'objet étant destiné à être porté par un élément mobile adjacent à l'élément fixe ; - les liaisons sont de type pivot ou glissière ; - le dispositif comprend trois liaisons pivots et deux liaisons glissières ; - les éléments mobiles comprennent deux bras mobiles reliés, d' part, entre eux par une première iaison pivot et, d'autre part, à l'élément fixe par deux éléments mobiles intermédiaires l'objet étant destiné à être porté par l'extrémité d'un de ces bras reliée à la première liaison pivot ; - chaque bras est relié à l'élément mobile intermédiaire correspondant par une liaison glissière, et chaque élément mobile intermédiaire est relié à l'élément fixe par deuxième ou troisième liaison pivot ; - chaque bras est relié à l'élément mobile intermédiaire correspondant par une deuxième ou troisième liaison pivot, et chaque élément mobile intermédiaire est relié à l'élément fixe par une liaison glissière; - liaisons glissières sont motorisées ; - chaque liaison pivot reliant un élément mobile intermédiaire à un autre élément est motorisée. According to other characteristics of this device - the elementary kinematic chain comprises a fixed element and four mobile elements, the five elements being interconnected by five links, the object being intended to be carried by a mobile element adjacent to the fixed element ; - the connections are of the pivot or slide type; - The device comprises three pivot connections and two slide connections; the mobile elements comprise two mobile arms connected, on the one hand, to each other by a first pivot connection and, on the other hand, to the fixed element by two intermediate mobile elements, the object being intended to be carried by the end one of these arms connected to the first pivot link; - Each arm is connected to the corresponding intermediate mobile element by a slide link, and each intermediate mobile element is connected to the fixed element by second or third pivot link; - Each arm is connected to the corresponding intermediate mobile element by a second or third pivot link, and each intermediate mobile element is connected to the fixed element by a slide link; - slide links are motorized; - Each pivot link connecting an intermediate movable element to another element is motorized.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la descript' qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif de déplacement d'un objet, selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective éclatée du dispositif représenté à la figure 1 ; - la figure 3 est un schéma cinématique correspondant au dispositif représenté sur les figures précédentes ; - la figure 4 est un graphe de structure du dispositif représenté sur les figures précédentes ; - les figures 5 à 7 sont des vues analogues aux figures 1 à 3 d'un dispositif de déplacement d'un objet selon un second mode de réalisation de l'invention ; - les figures 8 à 10 sont des vues analogues aux figures 1 à 3 d'un dispositif de déplacement d'un objet, selon un troisième mode de réalisation de l'invention. The invention will be better understood on reading the description which follows, given solely by way of example and made with reference to the appended drawings in which - Figure 1 is a perspective view of a device for moving the an object, according to a first embodiment of the invention; - Figure 2 is an exploded perspective view of the device shown in Figure 1; - Figure 3 is a kinematic diagram corresponding to the device shown in the preceding figures; - Figure 4 is a structure graph of the device shown in the previous figures; - Figures 5 to 7 are views similar to Figures 1 to 3 of a device for moving an object according to a second embodiment of the invention; - Figures 8 to 10 are views similar to Figures 1 to 3 of a device for moving an object, according to a third embodiment of the invention.

on a représenté sur les figures 1 et 2 un dispositif 12, selon un premier mode de réalisation de l'invention, pour le déplacement d'un objet 14 sensiblement parallelement à un plan. objet 14 est, par exemple, une broche outil d'usinage, porte-broche d'outil ou encore une pièce à usiner. Dans les deux premiers cas, le disposit'f 12 constitue une machine-outil. there is shown in Figures 1 and 2 a device 12, according to a first embodiment of the invention, for moving an object 14 substantially parallel to a plane. object 14 is, for example, a machining tool spindle, tool spindle holder or even a workpiece. In the first two cases, the device 12 constitutes a machine tool.

Le dispositif 12 comprend une chaîne cinématique élémentaire fermée, schématisée sur la figure 3, destinée à porter l' et 14 pour le déplacer. La figure 4 représente le graphe structure correspondant au schéma cinématique de la figure 3. The device 12 comprises a closed elementary kinematic chain, shown diagrammatically in FIG. 3, intended to carry the and 14 to move it. FIG. 4 represents the structure graph corresponding to the kinematic diagram of FIG. 3.

Le dispositif 12 comprend un élément fixe 16, en forme générale de U, formant une embase, et deux bras mobiles 18, 20. Ces deux bras 18, 20 sont reliés, d'une part, entre eux par une première liaison pivot et d'autre part, aux deux branches 16A, 16B de l'élément fixe par deux éléments mobiles intermédiaires 22, 24, forme générale de caissons. Chaque bras 18, 20 est relié à l'élément mobile intermédiaire 22, 24 par une liaison glissière G1, G2 (voir figure 3). Chaque élément mobile intermédiaire 22, 24 est relié à une branche correspondante 16A, 16B de l'élément fixe par une deuxième, respectivement une troisième, liaison pivot P2, P3. The device 12 comprises a fixed element 16, in the general shape of a U, forming a base, and two movable arms 18, 20. These two arms 18, 20 are connected, on the one hand, to each other by a first pivot connection and of on the other hand, to the two branches 16A, 16B of the fixed element by two intermediate mobile elements 22, 24, generally in the form of boxes. Each arm 18, 20 is connected to the intermediate mobile element 22, 24 by a sliding link G1, G2 (see FIG. 3). Each intermediate mobile element 22, 24 is connected to a corresponding branch 16A, 16B of the fixed element by a second, respectively a third, pivot link P2, P3.

La chaîne cinématique comprend donc un élément fixe 16 et quatre éléments mobiles à 24 reliés entre eux par trois liaisons pivots P1 à P3 deux liaisons glissières G1, G2. Dans ce qui suit, élément de la chaîne cinématique est dit adjacent à un élément de référence s'il est relié directement à cet élement de référence. Dans le cas contraire, l'élément est non adjacent. De même, une liaison est dite adjacente à un élément de référence si elle relie cet élément de référence directement au reste de la chaîne cinématique. The kinematic chain therefore comprises a fixed element 16 and four mobile elements 24 connected to each other by three pivot connections P1 to P3 two slide connections G1, G2. In what follows, element of the kinematic chain is said to be adjacent to a reference element if it is directly connected to this reference element. Otherwise, the element is not adjacent. Similarly, a link is said to be adjacent to a reference element if it connects this reference element directly to the rest of the kinematic chain.

L'objet 14 est porté par le bras 18, c'est-à-dire par un élément mobile de la chaine cinématique non adjacent à l'élément fixe 16. Plus particulièrement, l'objet 14 est porté par l'extrémité du bras 18 reliée à la première liaison pivot P1. L'objet 14 est relié au bras 18 par exemple par une liaison encastrement ou une liaison glissière perpendiculaire au plan parallèlement auquel se déplace l'objet 14. The object 14 is carried by the arm 18, that is to say by a movable element of the kinematic chain not adjacent to the fixed element 16. More particularly, the object 14 is carried by the end of the arm 18 connected to the first pivot link P1. The object 14 is connected to the arm 18 for example by an embedding connection or a sliding connection perpendicular to the plane parallel to which the object 14 moves.

Lorsque l'objet 14 est une broche d'outil ou un porte-broche d'outil, l'axe d'articulation de la liaison P1 est décalé par rapport à l'axe la broche, comme cela est représenté sur les figures 1 2, ou bien coïncide avec l'axe de la broche. Dans dernier cas, les efforts transmis par les bras 18, 20 à la broche d'outil sont avantageusement dirigés vers l'axe de cette broche passant par le centre de gravité de la broche. When the object 14 is a tool spindle or a tool spindle holder, the articulation axis of the link P1 is offset with respect to the spindle axis, as shown in FIGS. 1 2 , or else coincides with the axis of the spindle. In the latter case, the forces transmitted by the arms 18, 20 to the tool spindle are advantageously directed towards the axis of this spindle passing through the center of gravity of the spindle.

De préférence, le dispositif 12 comprend des moyens de motorisation des liaisons adjacentes aux éléments mobiles intermédiaires 22, 24 ou à l'élément fixe 16. Dans l'exemple illustré sur les figures 1 à 3, les liaisons-glissières G1, G2 sont motorisées à l'aide de moyens classiques MG1, MG2. Preferably, the device 12 comprises means for motorizing the connections adjacent to the intermediate mobile elements 22, 24 or to the fixed element 16. In the example illustrated in FIGS. 1 to 3, the slide links G1, G2 are motorized using conventional means MG1, MG2.

Les moyens de motorisation des liaisons glissières G1, G2 comprennent, par exemple, des moteurs lineaires, des vis à billes, des vérins pneumatiques ou vérins hydrauliques ainsi que des moyens de transmission notamment du type à pignon-crémaillère, câble, chaîne ou courroie. The means of motorization of the slide links G1, G2 comprise, for example, linear motors, ball screws, pneumatic cylinders or hydraulic cylinders as well as transmission means, in particular of the rack and pinion type, cable, chain or belt.

Si les liaisons glissières ne sont pas motorisées, les liaisons pivots P2, P3, reliant les éléments mobiles intermédiaires 22, 24 à l'élément fixe 16, peuvent être motorisées à l'aide de moyens classiques. If the slide links are not motorized, the pivot links P2, P3, connecting the intermediate mobile elements 22, 24 to the fixed element 16, can be motorized using conventional means.

Les moyens de motorisation des liaisons pivots comprennent par exemple des moteurs rotatifs. The means for motorizing the pivot connections comprise for example rotary motors.

Sur les figures 5 à 7 et 8 à 10, on a representé un dispositif 12 de déplacement de l'objet 14 sensiblement parallèlement à un plan selon des deuxième et troisième modes de réalisation de l'invention respectivement. Sur ces figures les éléments analogues à ceux des figures précédentes sont désignés par des références identiques. In Figures 5 to 7 and 8 to 10, there is shown a device 12 for moving the object 14 substantially parallel to a plane according to second and third embodiments of the invention respectively. In these figures, elements similar to those of the preceding figures are designated by identical references.

Dans le second mode de réalisation de 'invention illustre sur les figure 5 à 7, l'élément fixe 16 une forme générale de cadre sensiblement vertical comprenant deux montants 16A, 16B reliés par deux traverses 16C, Par ailleurs, chaque bras 18, 20 relié à l'élément mobile intermédiaire correspondant 22, 24 par la deuxième ou troisième liaison pivot P2, P3. De plus, chaque élément mobile intermédiaire 22, 24 est relié à un montant correspondant 16A, 16B de l'élément fixe par une liaison glissière G1, G2. In the second embodiment of the invention illustrated in FIGS. 5 to 7, the fixed element 16 has a general form of substantially vertical frame comprising two uprights 16A, 16B connected by two crosspieces 16C, Furthermore, each arm 18, 20 connected to the corresponding intermediate movable element 22, 24 via the second or third pivot link P2, P3. In addition, each intermediate mobile element 22, 24 is connected to a corresponding upright 16A, 16B of the fixed element by a slide link G1, G2.

liaisons glissières G1, G2, sont sensiblement verticales comme cela est représenté sur la figure 7, ou inclinées par rapport à la verticale. De préférence, les liaisons glissières G1, G2 sont motorisées à l'aide de moyens classiques MG1, MG2. Si les liaisons glissières ne sont pas motorisées, les liaisons pivots P2 P3 peuvent être motorisées à l'aide de moyens classiques. troisième mode de réalisation de l'invention illustré sur les figures 8 à 10 se distingue du second mode de réalisation de l'invention par le fait que l'élément fixe 16 a une forme générale de semelle sur laquelle coulisse les éléments intermédiaires 22, 24, les liaisons glissières G1, G2 étant sensiblement horizontales, comme cela est représente sur la figure 10, ou inclinée par rapport à l'horizontale. Parmi les avantages de l'invention, on notera les suivants. dispositif de déplacement d'un objet selon l'invention, à chaîne cinématique élémentaire fermée, peut être fabriqué en utilisant des éléments mobiles de tailles réduites donc de masses relativement faibles notamment en ce qui concerne les bras mobiles. Les liaisons utilisées dans le dispositif de déplacement selon l'invention sont relativement peu nombreuses et se limitent à liaisons pivots et glissières qui sont simples et fiables. slide links G1, G2, are substantially vertical as shown in Figure 7, or inclined relative to the vertical. Preferably, the slide links G1, G2 are motorized using conventional means MG1, MG2. If the slide links are not motorized, the pivot links P2 P3 can be motorized using conventional means. third embodiment of the invention illustrated in Figures 8 to 10 differs from the second embodiment of the invention by the fact that the fixed element 16 has a general shape of sole on which slides the intermediate elements 22, 24 , the slide links G1, G2 being substantially horizontal, as shown in FIG. 10, or inclined relative to the horizontal. Among the advantages of the invention, the following will be noted. device for moving an object according to the invention, with a closed elementary kinematic chain, can be manufactured using mobile elements of reduced sizes therefore of relatively small masses, in particular as regards the mobile arms. The connections used in the displacement device according to the invention are relatively few and are limited to pivot and slide connections which are simple and reliable.

ailleurs , la structure de l'élément fixe et des éléments mobiles du dispositif de déplacement selon l'invention est relativement simple à réaliser qui limite d'autant coût de fabrication du dispositif de déplacement. De plus, l'encombrement d'un dispositif de déplacement selon l'invention est relativement 'duit. moreover, the structure of the fixed element and of the mobile elements of the displacement device according to the invention is relatively simple to produce which limits the manufacturing cost of the displacement device accordingly. In addition, the size of a displacement device according to the invention is relatively small.

Enfin, on notera que le dispositif selon l'invention à chaîne cinématique élémentaire fermée permet de limiter de façon très raisonnable les erreurs de position de tous les éléments mobiles.Finally, it will be noted that the device according to the invention with a closed elementary kinematic chain makes it possible to limit in a very reasonable manner the position errors of all the mobile elements.

Claims

CLAIMS Device for moving an object substantially parallel to a plane, of the type comprising elementary kinematic chain intended to carry this object (14) for moving it, characterized in that the elementary kinematic chain is closed. 2. Device according to claim 1, characterized in that the elementary kinematic chain comprises fixed element (16) and four mobile elements (18 to 24), the five elements (16 to 24) being interconnected by five connections (P1 to P3, G1, G2), the object (14) being intended to be carried by a mobile element (18) not adjacent to the fixed element (16). . Device according to claim 2, characterized in that the connections are of the pivot (P1 to P2) or slide (G1, G2) type. 4. Device according to claim 3, characterized in that it comprises three pivot connections (P1 to P3) and two slide connections (G1, G2). 5. Device according to claim 4, characterized in that the mobile elements comprise two mobile arms (18, connected, on the one hand, to each other by a first pivot link (Pl) and, on the other hand, to the element fixed (16) by two intermediate mobile elements (22, 24), the object (14) being intended to be carried by the end of one of these arms (18) connected to the first pivot link (P1). Device according to claim 5, characterized in that each arm (18, 20) is connected to the corresponding intermediate mobile element (22, 24) by a sliding link (G1, G2), and each intermediate mobile element (22, 24) is connected to the fixed element (16) by a second third pivot link (P2, P3) 7. Device according to claim 5, characterized in that each arm (18, 20) is connected to the mobile element corresponding intermediate (22, 24) by a second or third pivot link (P2 P3), and each element mo intermediate bile (22, 24) is connected to the fixed element (16) by a slide link (G1,). 8. Device according to any one of claims 4 to 7, characterized in that the slide links (G1, G2) are motorized. 9. Device according to any one of claims 5 to 7, characterized in that each pivot link (P2, P3) connecting an intermediate mobile element (22, 24) to another element is motorized.