FR2838175A1 - Procede de motorisation par reptation permettant le deplacement et le positionnement tres precis de charges, et dispositif pour sa mise en oeuvre - Google Patents
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Abstract
Procédé de motorisation par reptation permettant de déplacer des charges avec précision, par l'utilisation d'un actionneur pulsant (1), sur lequel des pattes (2) et (3) sont articulées à ses extrémités (points A), inclinées d'un angle θ par rapport aux pistes (4), avec tgθ < tgφ) (tgφ = coefficient de frottement entre les pattes et les pistes), commutables à l'aide des éléments (5) et (6), afin d'inverser le sens du mouvement ou de bloquer le système dans une position de repos, ces pattes s'arc-boutant alternativement sur les pistes, lorsque l'actionneur (1) se dilate, puis se contracte, et qu'il comporte les phases suivantes : a) - lorsque l'actionneur (1) est activé, il se dilate d'une valeur Δl, les pattes (2) glissent sur les pistes (4), et les pattes (3) s'arc-boutent sur celles-ci; b) - lorsque l'actionneur (1) est désactivé, il reprend sa dimension d'origine, les pattes (2) s'arc-boutent sur les pistes (4) et les pattes (3) glissent sur celles-ci; L'actionneur (1) et les éléments qui lui sont liés se sont déplacés d'une valeur Δl par rapport aux pistes (4).Le dispositif est particulièrement destiné aux déplacements et au positionnement précis de charges.
Description
augmenLd de mani@re lindaire.
La présente invention concerne la description d'un principe de
motorisation par reptation et de sa mise en _uvre, permettant le déplacement et le positionnement extrémement précis de charges, avec des amplitudes de débattements théoriquement illimitées, à l' aide d'un actionneur pulsant de faible amplitude. Ce principe est applicable, selon la géométrie adoptée, pour des déplacements rectilignes, curvilignes ou rotatifs. Par ailleurs, comme nous le montrerons plus
loin, ce procédé permet d'utiliser de multiples technologies.
lO Jusqu'à présent, dans les procédés connus, et selon les applications envisagées, tous les types de motorisations et de positionnements précis trouvaient leurs limites, soit: - en charge, - en amplitude de mouvement, - en précision de positionnement, - en encombrement/masse,
- due à la géométrie des trajectoires.
Les dispositifs possibles, découlant de la présente invention, permettent de palier ces différents inconvénients et même d'envisager de nouvelles applications potentielles, qui restent à ce jour,
inaccessibles techniquement.
Le principe de fonctionnement, selon la présente invention se caractérise par l'utilisation d'un actionneur pulsant, sur lequel des pattes articulées sont fixées à ces deux extrémités, inclinées d'un angle par rapport à des pistes, sur lesquelles ces pattes s'arc-boutent alternativement, lorsque l'actionneur se dilate, puis se contracte, permettant ainsi un déplacement différentiel entre les pistes et
l'actionneur équipé de ces pattes.
Il est à noter, que le choix technologique du type d'actionneur à utiliser est déterminé selon les applications envisagées et des critères tels que ceux donnés à titre d'exemples, ci-après: - 2 - la masse à déplacer, - la précision de positionnement désirée, - la source d'énergie dont on dispose, - la vitesse de déplacement souhaitée, - I' amplitude de déplacement envisagée. En conséquence, selon les critères non-limitatifs exposés ci dessus, le choix de la technologie de l'actionneur se fera parmi les options possibles suivantes, telles que par exemple: électromécanique, - électromagnétique, - piézoélectrique, - pneulnatique, - hydraulique,
- chmique.
Pour certaines applications, un ou plusieurs systèmes de commutation permettent de basculer la position des pattes, afin d'inverser le sens du mouvement, ou de bloquer le système dans une
position de repos choisie.
Par ailleurs, en tant que besoin, dans certaines applications ou dans certaines phases actives de fonctionnement du système, le dispositif nécessitera la présence d'un système annexe de freins, entre les parties fixes et mobiles, afin de compenser tout ou partie des
masses à déplacer.
Le procédé selon l' invention, se caractérise par les étapes suivantes, les pattes étant configurces convenablement: a) lorsque l'actionneur se dilate d'une valeur Al, les pattes fixées sur la partie " avant " de l'actionneur glissent sur les pistes, et les pattes fixées sur la partie " arrière >> de l'actionneur
s'arc-boutent sur ces pistes.
b) Lorsque l'actionneur reprend sa dimension initiale, il se contracte de la valeur Al, les pattes " avant " s'arc-boutent sur
les pistes, et les pattes " arrières " glissent sur celles ci.
L'actionneur équipé de ses pattes, s'est ainsi déplacé d'une valeur différentielle Al par rapport aux pistes, et si l' on répète f fois par seconde cette procédure, on obtient un déplacement d = f x Al par seconde. L'invention sera mieux comprise, selon le mode particulier de réalisation décrit ci-après, donné uniquement à titre d'exemple, et se réfère aux dessins annexes, lesquels montrent: - FIG 1 - le schéma de principe complet, - FIG 2 - les phases de reptation, - FIG 3a et 3b - les configurations possibles des pattes en position de blocage du système, FIG 3 c et 3 d - la configuration des pattes selon le sens du
mouvement désiré.
- Les FIG.4 à 8, montrent quelques exemples d'applications
potentielles dérivées du principe de base.
Les éléments constitutifs principaux, sont: - REP 1 - l'actionneur pulsant, - REP 2 et 3 - les pattes articulées,
- REP 4 - les pistes.
Et les éléments annexes selon les applications, sont: - REP 5 et 6 - le ou les systèmes de commutation des pattes,
- REP 7 - le ou les systèmes de freins.
Le principe de motorisation par reptation selon l'invention donné ici en exemple, FIG. 1, se caractérise en ce qu'il se compose, d'un actionneur piézoélectrique (1), sur lequel sont fixées les pattes (2) et (3), articulées aux points A, respectivement sur sa partie " avant " et sur sa partie " arrière ", inclinées d'un angle par rapport aux pistes (4), [Condition: tgé < tgp, avec tgp = coefficient de frottement entre les pattes (2) et (3) avec les pistes (4).], ces pattes s'arc-boutant alternativement sur les pistes (4), lorsque l'actionneur (1) se dilate, puis se contracte et en ce qu'il comporte les phases suivantes: - 4 a) l'actionneur (1) étant activé, il se dilate d'une valeur A1, les pattes (2) glissent sur les pistes (4), et les pattes (3) s'arc
boutent sur les pistes (4) - tgé < tgp.
b) inversement, lorsque l'actionneur (1) est désactivé, il reprend sa dimension d'origine, il se contracte donc d'une valeur A1, les pattes (2) s'arc-boutent sur les pistes (4) et les pattes (3)
glissent sur celles-ci.
Les éléments (1), (2) et (3) se sont déplacés d'une valeur AI par rapport aux pistes (4) - voir FIG 2a, 2b, 2c, et ainsi, si cette procédure est répétée f fois par seconde, on obtient un déplacement théorique:
d = f x AI par seconde.
Ce dispositif est complété, en tant que besoin, par un ou plusieurs systèmes de commutation (6) et (5), par exemple, permettant de basculer respectivement les pattes (2) et (3), afin d'inverser le sens du mouvement, FIG 3c et 3d, ou permettant de bloquer le système dans
une position de repos choisie, FIG 3a ou 3b.
Enfin, la FIG 1 montre également, en temps que besoin, un système annexe de freins (7), disposé entre les parties, fixes et mobiles, permettant de compenser tout ou partie des masses à déplacer, dans certaines applications, ou dans certaines phases actives de
fonctionnement du système.
Par ailleurs, il est à remarquer, que la partie mobile du dispositif, est relative, selon que l'on immobilise les pistes (4), ou l'actionneur (1) avec les éléments qui lui sont liés, sans que le principe n'en soit
altéré, seule 1'application que 1'on veut en faire détermine ce choix.
On constate que le dispositif décrit ci-dessus, est parfaitement adapté à des translations linéaires rectilignes. Cependant, une analyse plus fine permet d'envisager des trajectoires curvilignes, comme le montre la FIG 4, mais devant satisfaire aux conditions suivantes: - que le " parallélisme " entre les pistes (4) soit conservé, - que tgé et tgé2 < tgp avec: À cos(180 -) = d2- e2 2Re - r / 2r (R + e) - 5 que À cos(l80 -02) = _d2 + e2 _ 2Re - r / 2r lR2 + d2 - et que À R > r2 + e2 _ d2 / 2 (2e - r). Par ailleurs, le dispositif sera dit " intérieur ", comme le montre la FIG.5, les pistes (4) se présentant sous l'aspect d'un axe central, sans que le principe de l'invention n'en soit en rien affecté. Il est à souligner que les remarques exposées ci-dessus concernant la FIG.4, sur la non rectitude des pistes (4), sont applicables à cette disposition . géometrlque. De méme, la FIG.6 montre que le principe de l'invention est aussi utilisable pour un mouvement rotatif à l'aide d'un ou plusieurs actionneurs pulsants. Différentes implantations tangentielles, des actionneurs (1) montés en série ou en opposition, permettent des mouvements rotatifs dans un seul sens ou dans les 2, avec la présence ou non, d'un ou de plusieurs systèmes de commutation. L'actionneur (1) a la possibilité d'8tre fixé directement par l'une de ses extrémité sur la partie fixe ou la partie mobile, et ne possède des pattes qu'à son autre extrémité. Dans cet exemple, la partie " arrière " de l'actionneur (1) est fixée directement sur le stator, et ne possède des pattes (2) que sur sa partie " avant ". Par ailleurs, il faut souligner, que dans ce cas aussi, l'utilisation d'actionneurs piézoélectriques qui développent des efforts importants sous de faibles encombrements, permettent d'obtenir des motorisations possédant des couples très élevés avec des
positionnements de très grandes précisions.
Un autre avantage de ce type de montage est. que le bloc de motorisation se monte directement sur l'arbre (type " pan-cake "), sans qu'aucun palier ni système d'accouplement ne soit nécessaire, d'ou une simplification de l'intégration de cette motorisation et une meilleure . précson. - 6 Cependant, le schéma de la FIG.7 montre que la partie mobile de l'actionneur se déplace linéairement, alors que la partie mobile (rotor) se déplace sur un cercle de rayon moyen R. Cet inconvénient sera palier, par exemple, par le choix judicieux - de jeux fonctionnels, - du guidages des pattes, - d' articulations flexibles des pattes ou de l'actionneur, par une liaison flexible entre l'actionneur et les pattes, - ou par le dimensionnement des différents paramètres entrant en jeu, car on constate que le rayon R a très souvent une dimension importante devant les valeurs de a et Al, et qu'en conséquences ú devient négligeable. En effet si: À R= rayon moyen du point de contact des pattes (2) avec les pistes (4), À a = calage du point de contact des pattes (2) avec les pistes (4) par rapport à la normale à l'axe de l'actionneur (4), À Al = valeur de la course de l'actionneur, À ú = l'écart entre la course réelle des pattes (2) de
l'actionneur et le déplacement réel du rotor- piste (4).
De méme, le léger différentiel entre le rayon moyen R. et les
rayons Rm et RM, reste négligeable.
Exemple: R= 25 _ 5 a=_ 1
A1 = O,025
ainsi: ú = O,001013 (+ O,00025 / - 0.00017) On va maintenant décrire un mode particulier de réalisation détaillé d'une motorisation par reptation, conforme à l'invention et représenté sur la FIG.8, mettant en oeuvre les éléments principaux et annexes revendiqués ici. Cette exemple s'apparente dans sa fonctionnalité, à un vérin linéaire, dont la course C est réalisable à la demande. Ce dispositif est constitué d'un actionneur piézoélectrique (1), sur lequel sont fixées 3 pattes (2) à 120 sur sont extrémité " avant ", et 3 autres pattes (3) à 120 sur son extrémité " arrière ", cet ensemble étant placé à l'intérieur d'un corps-cylindre (4), qui fait office de pistes. Les pattes (2) et (3) sont articulées et précontraintes sur les rotules (8) et (9) solidaires de l'actionneur (1). La commutation des pattes (2) et (3), pour inverser le sens du mouvement ou bloquer le système dans une position de repos, est obtenue à l'aide de 2 ventouses magnétiques (6) et (5). Un système de ressorts (10) et (11) permet le rappel des armatures mobiles (12) et (13), lorsque les ventouses magnétiques sont désactivées. La liaison, entre les armatures mobiles (12) et (13) avec les pattes (2) et (3), est réalisée par l'intermédiaire de 2 lames souples encastrées (14) et (15), afin de limiter les risques de coincements des pattes (2) et (3) dans le corps (4) et de démultiplier I'amplitude de la course des armatures mobiles (12) et (13). Enfin un système de freins (7) permet 1'équilibre du système dans certaines phases actives de son fonctionnement. La sécurité de cet ensemble est assurée par une butée électrique inverseur ( 16), et des butées mécaniques (17). Le connecteur (18), permet une liaison avec le poste de commande. Dans ce cas, l'ensemble est étanche, et protégé par des
capotages fixés sur le botier-corps (4).
Dans les exemples précédents, linéaires, curvilignes ou rotatifs, le choix de la technologie piézoélectrique permet: a) son utilisation sur des courses théoriquement illimitées, b) une précision de positionnement en un point quelconque de la course, c) la possibilité, par asservissement de l' actionneur, d' ajuster sur son dernier pas le positionnement, avec la précision intrinsèque à celle-ci, d) de développ er des force s imp ortantes, pro pres aux système s piézoélectriques, permettant dans la plus part des cas un gain
de masse et de volume.
On constate donc, et quelles que soient les technologies utilisées, que les applications potentielles d'un tel système, pour des déplacements de charges et leurs positionnements précis, sont recherchés dans de nombreux domaines, tels que: - l'optique, - le médical, - la microélectronique, les nanotechnologies, - les applications aéronautiques et militaires, les applications spatiales, - la micromécanique, - la métrologie, - d'une manière générale, dans de nombreux domaines ou la miniaturisation et/ou la précision de positionnement de
charges sont recherchées.
Enfin, il faut souligner que les qualités intrinsèques d'un tel principe et sa polyvalence technologique permettent d'envisager de
nouvelles applications inaccessibles à ce jour techniquement.
Claims (8)
1) Procédé de motorisation par reptation permettant le déplacement et le positionnement très précis de charges, caractérisé en ce qu'il se compose d'un actionneur pulsant (1), sur lequel sont fixées des pattes articulées (2) et (3) sur ses extrémités (points A), inclinées d'un angle 0, avec comme condition que tgé < tgp, (tgp = coefficient de frottement entre les pattes (2) et (3) avec les pistes (4)), ces pattes s'arc-boutant alternativement sur les pistes (4), lorsque l'actionneur (1) se dilate puis se contracte et en ce qu'il comporte les phases suivantes: a) l'actionneur (1) se dilatant d'une valeur Al, les pattes (2) glissent sur les pistes (4), et les pattes (3) s'arc-boutent sur les pistes (4) - (tgé < tgp), b) I'actionneur (1) reprenant sa dimension initiale, il se contracte de cette valeur Al, les pattes (2) s'arc-boutent sur les pistes (4), et les pattes (3) glissent sur les pistes (4), les éléments (1), (2) et (3) se sont déplacés d'une valeur différentielle théorique et relative égale à AI par rapport aux pistes (4) et ainsi, si cette procédure est répétée f fois par seconde on obtient un
déplacement d = f x AI par seconde.
2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que
l'actionneur pulsant (1) est un translateur de technologie électro-
mécanique, ou électromagnétique, ou piézoélectrique, ou pneumatique,
ou hydraulique, ou chimique, selon la source d'énergie dont on dispose.
3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé en ce que le translateur (1) est fixé directement par l'une de ses extrémités sur la structure fixe, ou sur la structure
mobile, et ne possède des pattes qu'à son autre extrémité.
- 10
4) Dispositif selon l'une quelcouque des revendications
précédentes, caractérisé en ce que la précision de positionnement est réalisée sur son dernier pas, par l'asservissement contrôlant le
translateur (1).
) Dispositif selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé en ce que les éléments fixes ou mobiles du système sont relatifs, selon que l'on immobilise les pistes (4) ou le translateur ( 1) et les éléments qui lui sont liés, et sont déterminés en
fonction de l' application envisagée.
6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé en ce que le système de motorisation est dit inversé, les pistes (4) étant intérieures et se présentant sous 1'aspect
d'un axe central.
7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé en ce que les différentes possibilités d'implantations géométriques des translateurs (1) permettent des déplacements de charges sur des trajectoires rectilignes, curvilignes ou rotatives.
8) Dispositif selon les revendications 1, 3, 6 ou 7, caractérisé en
ce qu'il comporte un ou plusieurs systèmes de commutation (5) et (6), par exemple, permettant de basculer la position des pattes (3) et (2), afin d'inverser le sens du déplacement, ou de bloquer le système dans
une position de repo s, selon le type d' applications envisagée.
9) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le ou les systèmes de commutation (5) et (6) sont de technologie électromécanique, ou électromagnétique, ou piézo-électrique, ou pneumatique, ou hydraulique, ou chimique, selon la source d'énergie
dont on dispose.
- 11
) Dispositif selon les revendications 1, 3, 6 ou 7, caractérisé en
ce qu'il comporte un système de freins (7) disposé entre les parties fixes et mobiles, afin de compenser tout ou partie des masses à déplacer dans certaines phases actives de fonctionnement du système,
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|---|---|---|---|
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|---|
| PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 017, no. 057 (E - 1315) 4 February 1993 (1993-02-04) * |
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| FR2838175B1 (fr) | 2004-10-08 |
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