WO2002022322A1 - Dispositif d'equilibrage d'une force, a hautes performances - Google Patents

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WO2002022322A1
WO2002022322A1 PCT/FR2001/002835 FR0102835W WO0222322A1 WO 2002022322 A1 WO2002022322 A1 WO 2002022322A1 FR 0102835 W FR0102835 W FR 0102835W WO 0222322 A1 WO0222322 A1 WO 0222322A1
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WO
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axis
arm
rotation
distal arm
balancing
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PCT/FR2001/002835
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Christian Salesse
Jean-Marc Loriot
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Christian Salesse
Loriot Jean Marc
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    • B25J19/0008—Balancing devices
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    • Y10T74/00—Machine element or mechanism
    • Y10T74/20—Control lever and linkage systems

Definitions

  • the invention relates to a device for balancing a force capable of guiding a load on a given trajectory, in particular a linear trajectory.
  • Balancing devices of this type comprise an articulated mechanism formed by a proximal arm carried by a support and wedged on a first axis of rotation and by a distal arm carried by the proximal arm and wedged around a second axis of rotation which extends parallel to the first axis, and in which the distal arm has a free end which carries a load.
  • a balancing device with two articulated arms of this type has multiple applications, in particular in the field of manipulators, transfer devices, etc. It can also be used as a pantograph, in particular a rail pantograph for electric locomotives.
  • pneumatic solutions are known using a jack which ensures the suspension of the load and / or its displacement, for example in the vertical direction.
  • the object of the invention is in particular to overcome the aforementioned drawbacks.
  • It aims in particular to provide a force balancing device, with high performance, which makes it possible to guide a load on a trajectory, and this with a high bandwidth.
  • a device for balancing a force which comprises first balancing means with high bandwidth having a first output axis and acting on the proximal arm, second means of balancing with high bandwidth having a second output axis and acting on the distal arm, as well as coordination means with high bandwidth, interposed between the first balancing means and the second balancing means for coordinating the movements of respective rotation of the proximal arm and the distal arm.
  • the invention makes it possible to separately balance the proximal arm and the distal arm of the articulated mechanism, and this thanks to first balancing means and second balancing means which are coordinated with one another. This minimizes the inertia brought back to the balancing system and the transmission elasticities of the proximal arm and the distal arm.
  • balancing means have a high bandwidth, which means a bandwidth of the order of a hundred Hertz, and this without adding appreciable friction and inertia.
  • the bandwidth reflects the ability of a mechanical system to react to transient phenomena. In fact, this reflects the ability of said system to maintain its performance for stresses which, in the present case, can be of the order of a hundred Hertz, which can also be defined as a response time of the order of a hundredth of a second.
  • the device comprises a balancer capable of providing a sinusoidal mechanical torque and having two output axes which have synchronized speeds of rotation but in opposite directions, and in which these two output axes are linked in rotation respectively with the first axis of rotation of the proximal arm and with the second axis of rotation of the distal arm.
  • such a balancer can be of the type described in French patent No. 88 02 423 (published under No. 2 627 718).
  • Such a known balancer which is purely mechanical, is generally used to balance the forces acting on an arm stressed by a load, such as a tool. It provides a rigorous balancing of the arm, whatever its angular position, and can rotate 360 °, allowing the load to describe a circular trajectory.
  • This known balancer offers the advantage of providing a sinusoidal torque with excellent efficiency and a high bandwidth, that is to say mechanical balancing with low response time.
  • the balancing device ensures a displacement synchronous of the two arms allowing a single operation of the load, regardless of the distribution of the loads on each of the two arms of the articulated mechanism.
  • one of the two output axes of the balancer constitutes the axis of rotation of the proximal arm, while the other output axis is coupled to the axis of rotation of the distal arm by transmission means.
  • transmission means for this, use may be made of different mechanical means, in particular means having at least one deformable parallelogram.
  • the proximal arm and the distal arm have the same length.
  • the load can then move on a rectilinear trajectory with an amplitude of movement corresponding to four times the length of each of the aforementioned arms.
  • the device comprises an additional motorization formed by at least one actuator coupled to at least one movable member of the device.
  • Such a motorization can be used for different purposes, in particular for moving the articulated mechanism from one to the other of two positions which include a service position and a storage position.
  • these adjustment means comprise a mass displaceable on the proximal arm or the distal arm.
  • the device may include an additional motorization, controlled by a force sensor placed in a location chosen to allow either to assist an operator in the case of manual movement, or to provide a force constant on a given organ.
  • the free end of the distal arm carries the bows of a railway pantograph capable of capturing the electrical energy of a catenary, so that the load is here formed by the force exerted the bows on the catenary.
  • the device comprises at least one accessory, in particular a fin, which is mounted integral in rotation of the second output axis, by being either mounted on this second output axis or mounted idly on the first output axis, which has a chosen geometry and which moves parallel to the distal arm, of which it is also integral in rotation, this accessory being arranged on a radius of gyration such that its penetration in the air generates an equal and opposite torque to the penetration torque in the air of the articulated mechanism (that is to say here of the pantograph), these two couples s' canceling out in binding mechanics.
  • the balancing means of the invention may, as a variant, include motorization means.
  • a servo motorization makes it possible to provide the inertial forces linked to the movement, on the vertical axis, of the entire structure. This is to avoid that the effort produced by the bows on the catenary is not disturbed by these movements.
  • This servo motorization will moreover be able to compensate for the imperfection of the torque defined by the fin mentioned above, or even to compensate for its absence.
  • This motorization comprises an electric motor coupled to an endless screw cooperating with a nut, this nut being carried by a crank coupled to one of the first output axis and the second output axis, servo means being provided for controlling the electric motor from a control signal delivered by a force sensor carried at the free end of the distal arm.
  • the worm is advantageously a reversible screw driven by the electric motor via a reduction gear, a clutch mechanism being interposed between the reduction gear and the worm.
  • This reducer makes it possible to put an endless screw with large pitch, reversible and with high reverse efficiency.
  • control means comprise a tachometric dynamo driven by the electric motor and capable of delivering a speed signal, a first operational amplifier (speed loop) receiving this speed signal and producing a first output signal, a second amplifier.
  • operational current loop
  • power amplifier receiving this second output signal and delivering an output current sent to the electric motor and whose image of this output current is sent to the second operational amplifier, the control signal delivered by the force sensor being applied to the input of the second operational amplifier (current loop).
  • the servo motorization can also be used as a service system in order to ensure deployment and folding.
  • This deployment and folding mechanism is of particular interest in the case where the free end of the distal arm carries the bows of a rail pantograph.
  • this mechanism is suitable for receiving a control signal applied to the first operational amplifier (speed loop) in order to fold or deploy the articulated mechanism. This signal will then have priority over the signal from the force sensor brought back to the current loop.
  • this mechanism can receive an emergency signal applied to the first operational amplifier (speed loop) to carry out the folding of the articulated mechanism in the event of an emergency.
  • This signal will also priority over the signal from the force sensor brought back to the current loop.
  • control means comprise corrective means capable of carrying out a correction between the control signal delivered by the force sensor and the actual force exerted on the load, this in order to to compensate for the inertial forces linked to the mechanics placed downstream of the sensor, in particular to the mass of the bows in the case of a rail pantograph.
  • corrective means comprise derivative means capable of deriving with respect to time the variations in speed taken from the tachometric dynamo and applying them to the input of the second operational amplifier.
  • Figure 1 is a diagram of a balancing device according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a diagram of a balancing device according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 3 is a side view of a balancing device according to a third embodiment of the invention applied to a rail pantograph;
  • FIG. 4 is a front view corresponding to Figure 3;
  • FIG. 5 represents motorization means according to the invention;
  • Figure 6 is a view similar to Figure 3 incorporating the motor means of Figure 5;
  • FIG. 7 represents a control circuit forming part of the motorization means of FIGS. 5 and 6.
  • the balancing device shown in FIG. 1 comprises an articulated mechanism 10 formed by a proximal arm 12 and a distal arm 14.
  • the proximal arm 12 is carried by a support 16 which is here formed by the frame or body d '' a balancer 18.
  • This balancer is advantageously of the type described in French patent n ° 88,02423 already cited. It has two axes or output shafts 20 and 22 which are mutually parallel and, in the example, arranged horizontally.
  • the balancer is capable of providing a sinusoidal torque and the two output axes 20 and 22 are linked so as to have synchronized speeds of rotation, but in opposite directions.
  • the output axis 20 coincides with the axis of rotation of the proximal arm 12.
  • the distal arm 14 is carried by the proximal arm 12 and is wedged around an axis of rotation 24 which extends parallel to the axis outlet 20.
  • the distal arm 14 has a free end 26 capable of providing a force F, and an opposite end 28 forming an axis of articulation.
  • the proximal arm 12 is fixed on the outlet axis 20 of the balancer 18 and is therefore integral in rotation with the latter.
  • a crank 30 is fixed on the outlet axis 22 of the balancer and is also integral with it in rotation. It As a result, the proximal arm 12 and the crank 30 rotate in synchronism, but with opposite directions.
  • a crank 32 is fixed on the output axis 20 by bearings (not shown), which allows it to turn on this axis without constraint.
  • a link 34 is fixed to the ends of the cranks 30 and 32 by bearings (not shown) allowing rotations and thus creating a parallelogram transmitting the forces from the crank 30 to the crank 32.
  • the distal arm 14 is fixed to the end of the proximal arm 12 by bearings (not shown) allowing it to pivot freely and without constraint around the axis 24.
  • the arm 14 has a length L, between its end 26 and the axis 24, which is equal to the length of the arm 12, as defined between the axes 20 and 24.
  • a connecting rod 36 parallel to the proximal arm 12, is fixed on one side on a crank 38 and on the other at the end 28 of the distal arm 14 by means of bearings (not shown) thus creating a second transmitting parallelogram the forces from the crank 38 to the distal arm 14.
  • the cranks 32 and 38 are fixed on the outlet axis 20, being mounted to rotate freely around it, but integral with each other at an adequate angle A to avoid the braces.
  • the output axes 20 and 22 are synchronized in opposite directions and indexed so that, when the arm 12 is horizontal, the crank 38 is also (in one direction or the other depending on whether the connecting rod 36 is below or above the arm 12).
  • the rotation of the output axes 20 and 22 through 180 ° causes the displacement of the free end 26 along a straight line over a distance, or amplitude, equal to 4 x L.
  • This straight line corresponds to a trajectory rectilinear roof T which, in the example, extends in a vertical direction.
  • the force F transmitted to the end 26 is constant and always parallel to the direction indicated by the arrow.
  • This force is equal to the sum of the maximum torques (arms 12 horizontally) given by the balancer 18 on the output axes 20 and 22, being reduced by the torque brought back by the weights of the different mobile elements (arms, connecting rods , cranks, rods, bearings, bearings, etc., plus different on-board systems or tools) divided by the value 2 x L (except when arms 12 and 14 are vertical, up or down, where a phenomenon of bruising occurs.
  • This force can be used to balance a mass which will therefore be "weightless” over the entire trajectory T (here a vertical trajectory), or even to apply a force, for example the force which must be exerted by a current capture pantograph bow. on a catenary.
  • the device of Figure 2 uses the basic elements of the device of Figure 1 and the common elements are designated by the same references. It further comprises an additional motorization 40 applied, in the example, to the link 34 and which can be used for different purposes.
  • This additional motorization can be used in particular to move the articulated mechanism 10 from one to the other of two positions comprising a service position and a storage position. This motorization will be neutralized when the device is in the service or working position.
  • this additional motorization can also be used to balance additional masses which are not always present or whose weights are substantially different, or to compensate for a lack of additional mass.
  • the main mass could be a gripper and the additional masses could be different parts, the motorization 40 being limited to the weight of the part present.
  • This additional motorization could also serve to make travel at the end 26 of the desired displacements, the motorization being limited to friction and inertia, excluding the imbalance.
  • the device can be associated with a device for controlling a mechanical manipulator with controlled control as taught by French patent application No. 0003047 of the applicants.
  • the additional motorization 40 can be of any kind (pneumatic, hydraulic, electric, etc.), linear or circular.
  • its point of application is not limited to the rod 34, it can be any part linked to the movement, including the output axes 20 and 22 and even the free end 26 of the distal arm.
  • the device of FIG. 2 comprises means suitable for ensuring constant orientation to a link 42 which carries the load (force F).
  • This link 42 thus extends in the direction of the aforementioned path T.
  • This device comprises a crank 44 fixed to the end of the proximal arm 12 by bearings, and therefore free to rotate relative to the latter.
  • This crank 44 carries, at its lower end, an elongated part 46 comprising an oblong hole in which slides a finger 48 fixed on the connecting rod 36 vertical to the articulation axis 24.
  • the finger 48 slides in the oblong hole , due to the deformation tion of the parallelogram formed by the arms 12 and 14, the link 38 and the link 36, during operation, the crank 44 remains vertical.
  • a connecting rod 50 is fixed by bearings, therefore free to rotate, at one end to the crank 44 and, at its end, to the connecting rod 42 so as to remain parallel to the arm 14 and thus form a deformable parallelogram.
  • FIG. 3 and 4 show a balancing device according to the invention which is similar to that of Figure 2 and which is applied to a pantograph of a railway car.
  • the elements common with those of FIG. 2 are designated by the same reference numerals.
  • the device carries two railway bows 76 and 78 suitable for coming into contact with a catenary (not shown). This embodiment aims to improve the behavior of horizontal forces, in particular those induced by resistance to penetration into the air.
  • pantograph allows excellent behavior with respect to the lateral forces which arise perpendicularly to the direction of advance of the railcar, which therefore poses no particular problem.
  • a balancer of the type described in the aforementioned French patent 88,02423 offers high values of direct and indirect efficiency, that is to say of the order of 98%.
  • the high bandwidth of this mechanism gives the pantograph a very good transfer of torque from one to the other of the output axes. Indeed, as these output axes rotate in opposite directions, the balancer will reverse, from one output axis to the other, the direction of the transferred torque. This characteristic thus makes it possible to confer a certain stability on the whole of the structure.
  • the device according to the embodiment of FIGS. 3 and 4 differs from that of FIG. 2 as regards the means suitable for ensuring constant orientation of the link 42.
  • the elongated part 46 comprising an oblong hole (FIG. 2) is replaced by a tie rod 80 which comes to seek its direction on the frame of the balancer.
  • a first solution would be to deposit on the second outlet axis 22 of the balancer a structure equivalent to that of the articulated mechanism carried by the first outlet axis 20, and which therefore would generate the same torque, these two couples canceling out in the balancer.
  • Such a solution has several drawbacks, in particular a weighting of the structure, an increase in its inertia, and a space requirement doubled when the pantograph is folded. Moreover, such a solution is very expensive.
  • the invention proposes another solution which consists in modeling this second structure and replacing it with an accessory, in particular a fin, equivalent in aerodynamics to this second structure.
  • This accessory 82 is arranged on a radius of gyration R such that its penetration into the air generates an equal and opposite torque to the torque of penetration into the air of the mechanism. articulated 10 (pantograph), these two couples canceling out in the connection mechanics that the balancer 18 includes.
  • the accessory 82 comprises a profile 84 forming a fin proper and fixed to the end of two levers 86 which are integral in rotation with the cranks 30.
  • the accessory 82 integral in rotation with the second outlet axis of the balancer offers identical friction conditions since its angle of air intake is the same as that of the distal arm of which it is also integral in rotation and that the variations of its lever arm are perfectly symmetrical to those of the proximal arm. It therefore generates a torque of nature and value equivalent to the residual torque due to the penetration of the pantograph structure in the air. These two couples therefore cancel each other out through the mechanics of the balancer.
  • this modeling will be adjustable in particular as regards the structure and geometry of the fin and its radius of gyration, and this as a function of the aerodynamic characteristics of the powerplant and of the pantograph.
  • this system is complementary to all the points mentioned above with reference to FIGS. 1 and 2, in particular the installation of a force control (see the motorization 90 described below), which it facilitates the adjustment by limiting its function to the sole control of the inertia of the pantograph.
  • the addition of this accessory has no appreciable effect on the overall inertia of the pantograph. Its weight is fully taken into account by the balancer.
  • this accessory makes it possible to correct the distortion due to the fact that, contrary to the assumptions made for the calculations, and although the distal arm and the proximal arm have the same length, the force of penetration into the air of the distal arm n is not identical to that of the proximal arm, this in particular due to the presence of a fairing on the drive and of the connecting rod 36.
  • the accessory can be mounted on the crank 32, itself integral in rotation with the second output axis of the balancer, this arrangement making it possible to reduce the size of the folded accessory.
  • the accessory is mounted idly on the first output axis 20.
  • any means of compensating for the force of penetration into the air of the structure of the pantograph, mounted integral in rotation with the second outlet axis of the balancer, can be arranged either on the first outlet axis, or the second output axis of the balancer, or even on both.
  • the structure of the accessory is not limited to a fin as shown in Figures 3 and 4, but may resemble a structure closer to that of the distal arm, of which it models the penetration into the air.
  • FIG. 5 shows motorization means 90 used for the control of the articulated mechanism 10, which is advantageously constituted by a rail pantograph, as shown in FIG. 6.
  • These drive motorization means are advantageously combined with a mechanical balancer 18 with two output axes 20 and 22 as described above.
  • These means motorization 90 comprise an assembly articulated around an axis 92 and comprising an electric motor 94 coupled to a tachometer dynamo 96.
  • This motor 94 drives, by means of a reduction gear 98 and a clutch 100, a screw without end 102 which cooperates with a nut 104.
  • This nut 104 is articulated at 106 at the end of a crank 108 which is coupled to one of the output axes 20 and 22 of the balancer 18.
  • this coupling will ensure the insulation between the electrical potential of the balancer (that of the catenary) and that of the worm (mass of the powerplant).
  • a servo circuit 110 which will be described later with reference to FIG. 7, controls the electric motor 94 from a control signal SC delivered by a force sensor 112 carried at the free end of the distal arm 14 of the articulated mechanism 10.
  • these motorization means advantageously find application in the case of a rail pantograph as shown in FIG. 6.
  • the pantograph of FIG. 6 corresponds to that of FIGS. 3 and 4.
  • the rail pantograph comprises a fin 82 similar to that described above.
  • the crank 108 is advantageously integral in rotation with the fin, that is to say more particularly with the levers 86, which are integral in rotation with the outlet axis 22 of the balancer 18.
  • This control aims in particular to respond to the problem of the dissociation of the systems which generate pressure forces on the catenary 74 and the control of the inertia of the structure of the pantograph. This is intended to compensate for the effects of variations in parallelism between the catenary and the railway, whether they are due to the geometry of the line itself or to the oscillations caused on the catenary by the passage of a first pantograph and that must follow any follower pantographs.
  • These servo motorization means are, in the example, mounted on the mechanical balancer 18. Such a mechanical balancer intrinsically generates a sinusoidal torque balancing 98% of the mass of the structure.
  • the induced kinematics also makes it possible, intrinsically, to ensure the generation of the force on the catenary with the same precision, and this regardless of the deployment position of the structure of the pantograph.
  • the low inertia and friction values of the balancer, as well as its high bandwidth make it particularly suitable for a motorization of this type.
  • the structure of the pantograph constructed around the balancer 18 makes it possible to compensate, under very good conditions, for the disturbances of the horizontal forces of all kinds to which it is subjected. As a result, the relationship between the actuator and the force on the bows that it generates remains practically independent of the speed of the train, the direction of travel of the pantograph and its deployment height.
  • the motorization 90 essentially takes care of the inertial forces necessary for the vertical displacement of the structure.
  • These motorization means have particularly interesting dynamic performance. They are able to compensate, if necessary, the residual forces caused in particular by the penetration into the air of the structure of the pantograph, preferably in coordination with the fin 82 described above. This is the reason why these motorization means 90 are advantageously combined with the pantograph with aileron, as can be seen in FIG. 6.
  • these motorization means make it possible to compensate in a similar manner, and if necessary, all or part balancing or generating all or part of the bows' efforts on the catenary.
  • the kinematic chain of the servo is constant velocity.
  • crank 108 This kinematics is obtained by recreating a connecting rod / - crank system (crank 108) which transforms a constant force into sinusoidal torque, which torque is transformed back into constant force by the structure of the pantograph at the level of bows 76 and 78.
  • the sinusoid of the crank 108 is synchronized, that is to say in phase, with that of the pantograph.
  • the reduction gear 98 (FIG. 5) is advantageously constituted by a reduction gear with gears having an inverse ratio to that of the amplification between the structure of the pantograph and the crank (crank 108) of motorization.
  • the endless screw 102 is advantageously a reversible type screw with high reverse efficiency.
  • a ball screw with rolled threads preferably a screw having a diameter of 30 mm and a pitch of 30 mm.
  • the screw is reversible, and this is why a reduction gear is also provided.
  • a screw with a smaller pitch, without reducer but the reverse efficiency of which would be lower.
  • the clutch 100 makes it possible to disengage the motorization means 90, for example in the event of the latter failing, to allow degraded operation of the pantograph. This means that, in such an operating mode, the performance of the pantograph would be analogous to that of a non-controlled pantograph.
  • FIG. 7 We now refer to FIG. 7 to describe an example of control means 110.
  • the motor 94 and the tachometer dynamo 96 The tachometer dynamo driven by the motor delivers a speed signal SV.
  • the circuit 110 further comprises a first operational amplifier 114 (speed loop) receiving this speed signal SV and producing a first output signal SI which is sent to a second operational amplifier 116 (current loop).
  • This second operational amplifier delivers a second output signal S2 which is received by a power amplifier 118, which delivers an output current CS sent to the electric motor 94 and whose image is sent to the second operational amplifier 116.
  • the sensor effort 112 (carried by the pantograph bows) delivers a control signal SC which is applied to the input of the second operational amplifier 116.
  • control of the bow-catenary effort is applied at the level of the servo current loop (operational amplifier 116). This allows a very short response time of the assembly and a management of perfectly homogeneous quantities since the torque delivered by the motor 94 is proportional to the control signal of this loop.
  • deployment and folding operation 120 suitable for receiving an SRD control signal applied to the first operational amplifier (speed loop) to perform the folding or deployment of the articulated mechanism 10, that is to say say in the example of the pantograph.
  • an emergency signal SU is sent by a safety device 122 operating in the event of the catenary breaking.
  • This safety device sends the emergency signal to fold the structure of the pantograph in either of the following cases (given as an example): - prolonged disappearance of the bow-catenary effort during the operating phase,
  • corrective means 124 are provided which are capable of delivering a correction between the control signal SC delivered by the force sensor 112 and the real force exerted on the load F, here on the catenary.
  • These corrective means include derivative means capable of deriving with respect to time the variations in speed taken from the tachometric dynamo 96 and applying them to the input of the second operational amplifier 116. This signal, linear at acceleration, will generate a current, therefore a torque, capable of compensating for the inertial forces defined above which are themselves proportional to said acceleration.
  • the servo system used in servitude for the folding or deployment of the structure is, as already indicated, doubled by another system ensuring the folding of the pantograph in case of defection of the first system, for example by the additional motorization 40 shown in Figure 2.
  • motorized means with servo-control as described above, can be applied in combination with other balancing means.
  • they are not limited to the application to an articulated mechanism of the rail pantograph type.
  • the servo motorization system has been arranged vertically on the axis carrying the fin. In practice, and for reasons of space, this motorization system will be mounted indifferently on one of the two output axes of the balancer and will be arranged horizontally next to it.
  • the balancing means of the device of the invention advantageously use a balancer of the type described by the aforementioned French patent 88 02 423.

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Abstract

Un dispositif d'équilibrage d'une force comprend un mécanisme articulé (10) formé d'un bras proximal (12) porté par un support calé sur un premier axe de rotation (20) et d'un bras distal (14) porté par le bras proximal et calé sur un deuxième axe de rotation (24) qui s'étend parallèlement au premier axe, le bras distal ayant une extrémité libre (26) portant une charge (F). Le dispositif comprend en outre des premiers moyens d'équilibrage (18, 20) à forte bande passante agissant sur le bras proximal (12), des seconds moyens d'équilibrage (18, 22) à forte bande passante agissant sur le bras distal (4), ainsi que des moyens de coordination interposés entre les premiers moyens d'équilibrage et les seconds moyens d'équilibrage pour coordonner les mouvements de rotation respectifs du bras proximal et du bras distal. Application notamment aux manipulateurs mécaniques, aux dispositifs de transfert et aux pantographes ferroviaires.

Description

Dispositif d'équilibrage d'une force, à hautes performances
L'invention concerne un dispositif d'équilibrage d'une force propre à guider une charge sur une trajectoire donnée, en particulier une trajectoire linéaire.
On connaît déjà des dispositifs d'équilibrage de ce type qui comprennent un mécanisme articulé formé d'un bras proximal porté par un support et calé sur un premier axe de rotation et d'un bras distal porté par le bras proximal et calé autour d'un deuxième axe de rotation qui s'étend parallèlement au premier axe, et dans lequel le bras distal a une extrémité libre qui porte une charge.
Un dispositif d'équilibrage à deux bras articulés de ce type possède de multiples applications, notamment dans le domaine des manipulateurs, des dispositifs de transfert, etc. Il peut être aussi utilisé en tant que pantographe, notamment pantographe ferroviaire pour les locomotives électriques.
On connaît déjà différentes solutions pour équilibrer la charge que porte le mécanisme articulé.
Tout d'abord, on connaît des solutions pneumatiques utilisant un vérin qui assure la suspension de la charge et/ou son déplacement, par exemple en direction verticale.
De telles solutions, si elles donnent des résultats relativement satisfaisants pour de faibles charges, deviennent impossibles à gérer dès que le volume d'air du vérin dépasse environ 1 dm3. Ceci est dû aux pertes de charges qui engendrent des variations de pression entre les différents points du circuit, ainsi qu'à la compressibilité de l'air. De tels moyens pneumatiques ont pour inconvénient d'avoir un temps de réponse qui est de l'ordre de la seconde, ce qui correspond à une valeur de bande passante médiocre, c'est-à-dire un temps trop important pour ne pas être ressenti par un opérateur notamment. On connaît aussi des solutions mixtes dans lesquelles un système pneumatique est accouplé à un contrepoids. Ces solutions, qui conduisent aux mêmes résultats que les solutions précédentes, présentent en plus l'inconvénient d'une augmentation importante de l'inertie, ce qui peut même en plus pénaliser les mouvements horizontaux de la charge.
De plus, on connaît des solutions électriques qui impliquent généralement d'utiliser des sortes de palans à réglage de charge automatique. Ces solutions ont les inconvénients, d'une part, des systèmes sophistiqués (risque de panne) et, d'autre part, de nécessiter une phase de pesage pendant laquelle la charge n'est pas contrôlée et peut être dangereuse pour l'opérateur. En outre, ces solutions ont pour inconvénient d'avoir un temps de réponse important, incompatible en pratique avec un bon confort de manipulation, du fait que leur bande passante est faible. Ceci s'applique notamment si ce déplacement nécessite le contrôle d'une position non matérialisée, donc la présence d'une boucle de position.
Par ailleurs, on connaît des solutions utilisant un parallélogramme, comme défini dans la demande de brevet français n° 00 03047, qui ont pour inconvénients, d'une part, soit de n'assurer aucun guidage (comme c'est le cas du câble), soit d'obliger à une trajectoire en ara de cercle dans un plan vertical, et d'autre part de concentrer tous les efforts liés au poids sur un seul bras du parallélogramme. La solution décrite dans le brevet français N° 96 07556 utilise un parallélogramme, mais ne comporte aucun moyen de coordination. On ne peut donc présumer de la bande passante de l'ensemble, quelle que soit la qualité des moyens d'équilibrage.
L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients précités .
Elle vise en particulier à procurer un dispositif d'équilibrage d'une force, à hautes performances, qui permet de guider une charge sur une trajectoire, et cela avec une bande passante élevée.
Elle propose à cet effet un dispositif d'équilibrage d'une force, du type défini en introduction, lequel comprend des premiers moyens d'équilibrage à forte bande passante ayant un premier axe de sortie et agissant sur le bras proximal, des seconds moyens d'équilibrage à forte bande passante ayant un deuxième axe de sortie et agissant sur le bras distal, ainsi que des moyens de coordination à forte bande passante, interposés entre les premiers moyens d'équilibrage et les seconds moyens d'équilibrage pour coordonner les mouvements de rotation respectifs du bras proximal et du bras distal.
Ainsi, l'invention permet d'équilibrer séparément le bras proximal et le bras distal du mécanisme articulé, et cela grâce à des premiers moyens d'équilibrage et des seconds moyens d'équilibrage qui sont coordonnés entre eux. Ceci permet de minimiser les inerties ramenées au système d'équi- librage et les élasticités de transmission du bras proximal et du bras distal.
Ces moyens d'équilibrage ont une forte bande passante, ce qui signifie une bande passante de l'ordre d'une centaine de Hertz, et cela sans rajout de frottements et d'inerties appréciables .
Pour mémoire, la bande passante traduit l'aptitude d'un système mécanique à réagir à des phénomènes transitoires. Dans les faits, ceci traduit l'aptitude dudit système à conserver ses performances pour des sollicitations qui, dans le cas présent, peuvent être de l'ordre d'une centaine de Hertz, ce qui peut aussi se définir comme un temps de réponse de l'ordre du centième de seconde.
Dans le cadre de l'invention, on peut utiliser différents types de moyens d'équilibrage, y compris dans certains cas des moyens de motorisation. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, le dispositif comprend un équilibreur propre à procurer un couple mécanique sinusoïdal et ayant deux axes de sorties qui ont des vitesses de rotation synchronisées mais de sens opposés, et dans lequel ces deux axes de sortie sont liés en rotation respectivement avec le premier axe de rotation du bras proximal et avec le deuxième axe de rotation du bras distal.
A titre d'exemple, un tel équilibreur peut être du type décrit dans le brevet français n° 88 02 423 (publié sous le n° 2 627 718).
Un tel équilibreur connu, qui est purement mécanique, est utilisé généralement pour équilibrer les forces agissant sur un bras sollicité par une charge, telle qu'un outil. Il permet d'obtenir un équilibrage rigoureux du bras, quelle que soit sa position angulaire, et peut pivoter de 360°, permettant à la charge de décrire une trajectoire circulaire.
Cet équilibreur connu offre l'avantage de fournir un couple sinusoïdal avec un excellent rendement et une bande passante élevée, c'est à dire un équilibrage mécanique à faible temps de réponse.
Ainsi, lorsque les deux axes de sortie de l'équilibreur sont liés en rotation respectivement avec l'axe de rotation du bras proximal et l'axe de rotation du bras distal, le dispositif d'équilibrage selon l'invention assure un déplace- ment synchrone des deux bras permettant une manoeuvre unique de la charge, et cela quelle que soit la répartition des charges sur chacun des deux bras du mécanisme articulé.
De manière préférentielle, l'un des deux axes de sortie de l'équilibreur constitue l'axe de rotation du bras proximal, tandis que l'autre axe de sortie est couplé à l'axe de rotation du bras distal par des moyens de transmission. Pour cela, on peut faire appel à différents moyens mécaniques, en particulier à des moyens ayant au moins un parallélogramme déformable.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le bras proximal et le bras distal ont une même longueur.
Il en résulte que la charge peut se déplacer alors sur une trajectoire rectiligne avec une amplitude de mouvement correspondant à quatre fois la longueur de chacun des bras précités .
Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comprend une motorisation additionnelle formée d'au moins un actionneur couplé à au moins un organe mobile du dispositif.
Une telle motorisation peut être utilisée à différentes fins, notamment pour déplacer le mécanisme articulé de l'une à l'autre de deux positions qui comprennent une position de service et une position de rangement.
De préférence, ces moyens de réglage comprennent une masse déplaçable sur le bras proximal ou le bras distal.
L'invention prévoit aussi que le dispositif peut comprendre une motorisation additionnelle, commandée par un capteur d'effort placé en un endroit choisi pour permettre, soit d'assister un opérateur dans le cas d'un déplacement manuel, soit d'assurer une force constante sur un organe donné.
Dans une application préférentielle de l'invention, l'extrémité libre du bras distal porte les archets d'un pantographe ferroviaire propres à capter l'énergie électrique d'une caténaire, en sorte que la charge est ici formée par la force qu'exercent les archets sur la caténaire.
Dans le cas de l'application à un pantographe ferroviaire, il est avantageux que le dispositif comprenne au moins un accessoire, notamment un aileron, qui est monté solidaire en rotation du deuxième axe de sortie, en étant soit monté sur ce deuxième de sortie soit monté fou sur le premier axe de sortie, qui possède une géométrie choisie et qui se déplace parallèlement au bras distal, dont il est aussi solidaire en rotation, cet accessoire étant disposé sur un rayon de giration tel que sa pénétration dans l'air génère un couple égal et opposé au couple de pénétration dans l'air du mécanisme articulé (c'est-à-dire ici du pantographe), ces deux couples s 'annulant dans la mécanique de liaison. On réalise ainsi un pantographe qui est insensible à la vitesse du vent.
Comme indiqué précédemment, les moyens d'équilibrage de l'invention peuvent, en variante, comprendre des moyens de motorisation.
Dans une autre forme de réalisation, notamment destinée à un pantographe ferroviaire, une motorisation d'asservissement permet de fournir les efforts inertiels liés au déplacement, sur l'axe vertical, de l'ensemble de la structure. Ceci a pour but d'éviter que l'effort produit par les archets sur la caténaire ne soit pas perturbé par ces déplacements. Cette motorisation d'asservissement sera par ailleurs à même de compenser l'imperfection du couple défini par l'aileron mentionné ci-dessus, voire de pallier son absence. Cette motorisation comprend un moteur électrique couplé à une vis sans fin coopérant avec un écrou, cet écrou étant porté par une manivelle couplée à l'un du premier axe de sortie et du deuxième axe de sortie, des moyens d'asservissement étant prévus pour contrôler le moteur électrique à partir d'un signal de commande délivré par un capteur d'effort porté à l'extrémité libre du bras distal.
La vis sans fin est avantageusement une vis réversible entraînée par le moteur électrique par l'intermédiaire d'un réducteur, un mécanisme d'embrayage étant intercalé entre le réducteur et la vis sans fin. La présence de ce réducteur permet de mettre une vis sans fin à grand pas, réversible et à haut rendement inverse. Cependant, il est envisageable aussi d'utiliser une vis à pas plus faible, mais sans la présence d'un réducteur.
Avantageusement, les moyens d'asservissement comprennent une dynamo tachymétrique entraînée par le moteur électrique et propre à délivrer un signal de vitesse, un premier amplificateur opérationnel (boucle de vitesse) recevant ce signal de vitesse et produisant un premier signal de sortie, un deuxième amplificateur opérationnel (boucle de courant) recevant le premier signal de sortie et délivrant un deuxième signal de sortie, un amplificateur de puissance recevant ce deuxième signal de sortie et délivrant un courant de sortie envoyé au moteur électrique et dont l'image de ce courant de sortie est envoyée au deuxième amplificateur opérationnel, le signal de commande délivré par le capteur d'effort étant appliqué à l'entrée du deuxième amplificateur opérationnel (boucle de courant).
Il est avantageux aussi que la motorisation d'asservissement puisse aussi être utilisée comme un système de servitude afin d'assurer le déploiement et le repliement.
Ce mécanisme de déploiement et repliement trouve un intérêt tout particulier dans le cas où l'extrémité libre du bras distal porte les archets d'un pantographe ferroviaire.
De préférence, ce mécanisme est propre à recevoir un signal de commande appliqué au premier amplificateur opérationnel (boucle de vitesse) pour réaliser le repliement ou le déploiement du mécanisme articulé. Ce signal sera alors prioritaire sur le signal du capteur d'effort ramené à la boucle de courant.
Il est avantageux aussi que ce mécanisme puisse recevoir un signal d'urgence appliqué au premier amplificateur opérationnel (boucle de vitesse) pour réaliser le repliement du mécanisme articulé en cas d'urgence. Ce signal sera également prioritaire sur le signal du capteur d'effort ramené à la boucle de courant.
Cette priorité de la boucle de vitesse par rapport à la boucle de courant vaut chaque fois que l'effort des archets sur la caténaire disparaît pendant un temps significatif.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les moyens d'asservissement comprennent des moyens correctifs propres à effectuer un correctif entre le signal de commande délivré par le capteur d'effort et l'effort réel s 'exerçant sur la charge, ceci afin de compenser les efforts inertiels liés à la mécanique placée en aval du capteur, notamment à la masse des archets dans le cas d'un pantographe ferroviaire. Ces moyens correctifs comprennent des moyens derivateurs propres à dériver par rapport au temps les variations de vitesse prélevées sur la dynamo tachymétrique et à les appliquer à l'entrée du deuxième amplificateur opérationnel.
Un autre système d'entraînement de servitude, distinct du système décrit précédemment, assurera le repli du pantographe en cas de panne de ce premier système.
Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels :
la figure 1 est un schéma d'un dispositif d'équilibrage selon une première forme de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 est un schéma d'un dispositif d'équilibrage selon une deuxième forme de réalisation de l'invention ;
la figure 3 est une vue de côté d'un dispositif d'équilibrage selon une troisième forme de réalisation de l'inven- tion appliqué à un pantographe ferroviaire ;
la figure 4 est une vue de face correspondant à la figure 3 ; la figure 5 représente des moyens de motorisation selon l'invention;
la figure 6 est une vue analogue à la figure 3 intégrant les moyens de motorisation de la figure 5; et
la figure 7 représente un circuit d'asservissement faisant partie des moyens de motorisation des figures 5 et 6.
Le dispositif d'équilibrage représenté à la figure 1 comprend un mécanisme articulé 10 formé d'un bras proximal 12 et d'un bras distal 14. Le bras proximal 12 est porté par un support 16 qui est ici formé par le bâti ou corps d'un équilibreur 18.
Cet équilibreur est avantageusement du type décrit dans le brevet français n° 88 02423 déjà cité. Il comporte deux axes ou arbres de sortie 20 et 22 qui sont parallèles entre eux et, dans l'exemple, disposés horizontalement. L'équilibreur est propre à procurer un couple sinusoïdal et les deux axes de sortie 20 et 22 sont liés de manière à avoir des vitesses de rotation synchronisées, mais de sens opposés.
L'axe de sortie 20 est confondu avec l'axe de rotation du bras proximal 12. Le bras distal 14 est porté par le bras proximal 12 et est calé autour d'un axe de rotation 24 qui s'étend parallèlement à l'axe de sortie 20.
Le bras distal 14 possède une extrémité libre 26 propre à fournir une force F, et une extrémité opposée 28 formant axe d' articulation.
Le bras proximal 12 est fixé sur l'axe de sortie 20 de l'équilibreur 18 et est donc solidaire en rotation de celui- ci.
Une manivelle 30 est fixée sur l'axe de sortie 22 de l'équilibreur et est également solidaire de lui en rotation. Il en résulte que le bras proximal 12 et la manivelle 30 tournent en synchronisme, mais avec des sens opposés.
Une manivelle 32 est fixée sur l'axe de sortie 20 par des roulements (non représentés), ce qui lui permet de tourner sur cet axe sans contrainte.
Par ailleurs, une biellette 34 est fixée aux extrémités des manivelles 30 et 32 par des roulements (non représentés) permettant des rotations et créant ainsi un parallélogramme transmettant les efforts de la manivelle 30 à la manivelle 32.
Le bras distal 14 est fixé à l'extrémité du bras proximal 12 par des roulements (non représentés) lui permettant de pivoter librement et sans contrainte autour de l'axe 24.
Le bras 14 possède une longueur L, comprise entre son extrémité 26 et l'axe 24, qui est égale à la longueur du bras 12, comme définie entre les axes 20 et 24.
Une bielle 36, parallèle au bras proximal 12, est fixée d'un côté sur une manivelle 38 et de l'autre à l'extrémité 28 du bras distal 14 par l'intermédiaire de roulements (non représentés) créant ainsi un deuxième parallélogramme transmettant les efforts de la manivelle 38 au bras distal 14. Les manivelles 32 et 38 sont fixées sur l'axe de sortie 20, en étant montées libres en rotation autour de celui-ci, mais solidaires entre elles en faisant un angle adéquat A pour éviter les arcs-boutements.
Les axes de sortie 20 et 22 sont synchronisés en sens inverse et indexés de sorte que, quand le bras 12 est horizontal, la manivelle 38 le soit aussi (dans un sens ou dans l'autre suivant que la bielle 36 se trouve au-dessous ou au-dessus du bras 12). Il en résulte que la rotation des axes de sortie 20 et 22 sur 180° provoque le déplacement de l'extrémité libre 26 suivant une ligne droite sur une distance, ou amplitude, égale à 4 x L. Cette ligne droite correspond à une trajec- toire rectiligne T qui, dans l'exemple, s'étend en direction verticale.
On comprendra que la bissectrice de l'angle variable formé par les bras 12 et 14 reste ainsi parallèle à elle-même.
Comme l'équilibreur 18 fournit un couple sinusoïdal, la force F transmise à l'extrémité 26 est constante et toujours parallèle au sens indiqué par la flèche. Cette force est égale à la somme des couples maximaux (bras 12 à l'horizontale) donnés par l'équilibreur 18 sur les axes de sortie 20 et 22, en étant diminuée du couple ramené par les poids des différents éléments mobiles (bras, bielles, manivelles, biellettes, paliers, roulements, etc., plus différents systèmes ou outillages embarqués) divisé par la valeur 2 x L (sauf quand les bras 12 et 14 sont verticaux, vers le haut ou vers le bas, où un phénomène d'arc-boutement se produit.
,ι
Cette force peut être utilisée pour équilibrer une masse qui sera donc "en apesanteur" sur toute la trajectoire T (ici une trajectoire verticale), ou encore pour appliquer une force, par exemple la force que doit exercer un archet de pantographe de captage de courant sur une caténaire.
Le dispositif de la figure 2 reprend les éléments de base du dispositif de la figure 1 et les éléments communs sont désignés par les mêmes références. Il comporte en plus une motorisation additionnelle 40 appliquée, dans l'exemple, sur la biellette 34 et pouvant être utilisée à différentes fins.
Cette motorisation additionnelle peut servir notamment à déplacer le mécanisme articulé 10 de l'une à l'autre de deux positions comprenant une position de service et une position de rangement. Cette motorisation sera neutralisée lorsque le dispositif est en position de service ou de travail.
En variante, cette motorisation additionnelle peut servir aussi à équilibrer des masses additionnelles qui ne seraient pas toujours présentes ou dont les poids sont sensiblement différents, ou pour compenser une absence de masse additionnelle. A titre d'exemple, la masse principale pourrait être un préhenseur et les masses additionnelles pourraient être différentes pièces, la motorisation 40 étant limitée au poids de la pièce présente.
Cette motorisation additionnelle pourrait servir aussi à faire parcourir à l'extrémité 26 des déplacements voulus, la motorisation étant limitée aux frottements et à l'inertie, à l'exclusion du déséquilibre.
Il peut s'agir aussi de toutes combinaisons de servitude, d'équilibrage de masses additionnelles et de motorisation.
Le cas échéant, le dispositif peut être associé à un dispositif de commande d'un manipulateur mécanique à commande asservie comme enseigné par la demande de brevet français n° 0003047 des demandeurs.
On comprendra que la motorisation additionnelle 40 peut être de toute nature (pneumatique, hydraulique, électrique, etc.), linéaire ou circulaire. En outre, son point d'application n'est pas limité à la biellette 34, il peut s'agir de n'importe quelle pièce liée au mouvement, y compris les axes de sortie 20 et 22 et même l'extrémité libre 26 du bras distal.
De plus, le dispositif de la figure 2 comprend des moyens propres à assurer une orientation constante à une biellette 42 qui porte la charge (force F). Cette biellette 42 s'étend ainsi dans la direction de la trajectoire T précitée.
Ce dispositif comprend une manivelle 44 fixée à l'extrémité du bras proximal 12 par des roulements, et donc libre en rotation par rapport à celui-ci. Cette manivelle 44 porte, à son extrémité inférieure, une pièce allongée 46 comportant un trou oblong dans lequel coulisse un doigt 48 fixé sur la bielle 36 à la verticale de l'axe d'articulation 24. Quand le doigt 48 coulisse dans le trou oblong, du fait de la déforma- tion du parallélogramme formé par les bras 12 et 14, la biellette 38 et la bielle 36, lors du fonctionnement, la manivelle 44 reste verticale. Une bielle 50 est fixée par des roulements, donc libre en rotation, à une extrémité à la manivelle 44 et, à son extrémité, à la biellette 42 de manière à rester parallèle au bras 14 et ainsi former un parallélogramme déformable.
Il est bien entendu possible de remplacer ce dispositif à doigt coulissant par un parallélogramme allant chercher une direction donnée, éventuellement la verticale, entre l'axe de sortie 20 et un point fixe.
Pour certaines applications, il est possible de construire, sur la biellette 42, un outil (non représenté) gardant une orientation déterminée, quelle que soit la position de son centre de gravité, et en particulier un outil préhenseur de pièce autorisant des changements d'orientation de cette pièce.
Il est à noter que la variation de la charge ou de l'effort désiré à l'extrémité 26 (figure 1) peut être obtenue, outre à l'aide de la motorisation 40, par le déplacement d'une charge le long de l'un des bras 12 et 14. Ce déplacement peut se faire de manière manuelle ou motorisée. Il permet de modifier le couple mécanique lié au poids des éléments mobiles et ramené au dispositif 18.
On se réfère maintenant aux figures 3 et 4 qui montrent un dispositif d'équilibrage selon l'invention qui s'apparente à celui de la figure 2 et qui est appliqué à un pantographe d'une motrice ferroviaire. Les éléments communs avec ceux de la figure 2 sont désignés par les mêmes références numériques. Le dispositif porte deux archets ferroviaires 76 et 78 propres à venir en contact avec une caténaire (non représentée) . Cette forme de réalisation vise à améliorer le comportement aux efforts horizontaux, notamment ceux induits par la résistance à la pénétration dans l'air.
La structure même du pantographe permet un excellent comportement a l'égard des efforts latéraux qui se présentent perpendiculairement à la direction d'avancement de la motrice ferroviaire, ce qui ne pose donc pas de problème particulier.
Un problème se pose plus précisément pour les efforts engendrés dans le sens de la marche de la motrice ferroviaire.
Un équilibreur du type décrit dans le brevet français 88 02423 précité offre des valeurs élevées de rendement direct et indirect, c'est-à-dire de l'ordre de 98 %. La forte bande passante de cette mécanique confère au pantographe un très bon transfert de couple de l'un à l'autre des axes de sortie. En effet, comme ces axes de sortie tournent en sens inverse, l'équilibreur va inverser, d'un axe de sortie à l'autre, le sens du couple transféré. Cette caractéristique permet ainsi de conférer une certaine stabilité à l'ensemble de la structure.
Le dispositif selon la forme de réalisation des figures 3 et 4 diffère de celui de la figure 2 en ce qui concerne les moyens propres à assurer une orientation constante à la biellette 42. La pièce allongée 46 comportant un trou oblong (figure 2) est remplacée par un tirant 80 qui vient chercher sa direction sur le bâti de l'équilibreur.
Dans ce cas, l'effort engendré par la pénétration des archets 76 et 78 et de leurs supports dans l'air, ainsi que le frottement sur la caténaire sont sans incidence sur le comportement du pantographe sur l'axe vertical. Ceci est valable pour toute la mécanique située à l'extrémité du bras distal. Par contre, l'effort de pénétration dans l'air du bras proximal 12 et du bras distal 14 n'est pas complètement compensé. Il reste sur l'axe de sortie 20 (qui supporte le bras proximal) un couple équivalent à celui produit par l'effort de pénétration du bras distal 14 appliqué à l'extrémité du bras proximal 12.
Il en résulte donc, suivant le sens de marche de la motrice, soit une augmentation, soit une diminution de l'effort exercé par les archets sur la caténaire. Ce phénomène perturbe donc le bon fonctionnement du pantographe et il convient donc de le prendre en compte pour l'annuler ou tout au moins diminuer ses effets.
Une première solution consisterait à déposer sur le deuxième axe de sortie 22 de l'équilibreur une structure équivalente à celle du mécanisme articulé porté par le premier axe de sortie 20, et qui de ce fait générerait le même couple, ces deux couples s 'annulant dans l'équilibreur.
Une telle solution comporte plusieurs inconvénients, en particulier un alourdissement de la structure, une augmentation de son inertie, et un encombrement doublé lorsque le pantographe est replié. Au demeurant, une telle solution est très onéreuse.
Pour résoudre ce problème, l'invention propose une autre solution qui consiste à modéliser cette deuxième structure et à la remplacer par un accessoire, notamment un aileron, équivalent en aérodynamisme à cette deuxième structure.
On voit sur les figures 3 et 4, un tel accessoire 82, ici du type aileron, qui possède une géométrie choisie et qui se déplace parallèlement au bras distal 14 dont il est solidaire en rotation.
Cette accessoire 82 est disposé sur un rayon de giration R tel que sa pénétration dans l'air génère un couple égal et opposé au couple de pénétration dans l'air du mécanisme articulé 10 (pantographe), ces deux couples s 'annulant dans la mécanique de liaison que comporte l'équilibreur 18.
Dans l'exemple, l'accessoire 82 comporte un profilé 84 formant aileron proprement dit et fixé à l'extrémité de deux leviers 86 qui sont solidaires en rotation des manivelles 30.
Il en résulte que ces deux leviers se déplacent en rotation, en même temps que le bras proximal, mais en sens opposé.
On a vu précédemment que le couple résiduel était généré par une force correspondant à la pénétration dans l'air du bras distal et appliquée à l'extrémité du bras proximal.
L'accessoire 82 solidaire en rotation du deuxième axe de sortie de l'équilibreur offre des conditions de frottement identiques puisque son angle de prise à l'air est le même que celui du bras distal dont il est aussi solidaire en rotation et que les variations de son bras de levier sont parfaitement symétriques à celles du bras proximal. Il génère donc un couple de nature et valeur équivalentes au couple résiduel dû à la pénétration de la structure du pantographe dans l'air. Ces deux couples s'annulent donc au travers de la mécanique de l'équilibreur.
Bien évidemment, cette modélisation sera ajustable notamment en ce qui concerne la structure et la géométrie de l'aileron et son rayon de giration, et ceci en fonction des caractéristiques aérodynamiques de la motrice et du pantographe.
De plus, l'adjonction de ce système est complémentaire à tous les points évoqués précédemment en référence aux figures 1 et 2, notamment la mise en place d'un asservissement d'efforts (voir la motorisation 90 décrite plus loin), dont elle facilite le réglage en limitant sa fonction à la seule maîtrise de l'inertie du pantographe. L'adjonction de cet accessoire est sans effet appréciable sur l'inertie globale du pantographe. Son poids est entièrement pris en compte par l'équilibreur.
Enfin, cet accessoire permet de corriger la distorsion due au fait que, contrairement aux hypothèses prises pour les calculs, et bien que le bras distal et le bras proximal aient la même longueur, l'effort de pénétration dans l'air du bras distal n'est pas identique à celui du bras proximal, ceci notamment en raison de la présence d'un carénage sur la motrice et de la bielle 36.
Dans une variante de réalisation, l'accessoire peut être monté sur la manivelle 32, elle-même solidaire en rotation du deuxième axe de sortie de l'équilibreur, cette disposition permettant de réduire l'encombrement de l'accessoire replié. Dans ce cas, l'accessoire est monté fou sur le premier axe de sortie 20.
Plus généralement, tout moyen de compensation de l'effort de pénétration dans l'air de la structure du pantographe, monté solidaire en rotation du deuxième axe de sortie de l'équilibreur, peut être disposé indifféremment sur le premier axe de sortie, ou le deuxième axe de sortie de l'équilibreur, voire sur les deux.
La structure de l'accessoire n'est pas limitée à un aileron comme représenté sur les figures 3 et 4, mais peut s'apparenter à une structure plus proche de celle du bras distal, dont elle modélise la pénétration dans l'air.
On se réfère maintenant à la figure 5 qui montre des moyens de motorisation 90 utilisés pour l'asservissement du mécanisme articulé 10, lequel est avantageusement constitué par un pantographe ferroviaire, comme montré à la figure 6.
Ces moyens de motorisation avec asservissement sont avantageusement combinés à un équilibreur mécanique 18 à deux axes de sortie 20 et 22 tels que décrits précédemment. Ces moyens de motorisation 90 comprennent un ensemble articulé autour d'un axe 92 et comprenant un moteur électrique 94 couplé à une dynamo tachymétrique 96. Ce moteur 94 entraîne, par l'intermédiaire d'un réducteur 98 et d'un embrayage 100, une vis sans fin 102 qui coopère avec un écrou 104. Cet écrou 104 est articulé en 106 à l'extrémité d'une manivelle 108 qui est couplée à l'un des axes de sortie 20 et 22 de l'équilibreur 18. Avantageusement, cet accouplement assurera l'isolation entre le potentiel électrique de l'équilibreur (celui de la caténaire) et celui de la vis sans fin (masse de la motrice) .
Un circuit d'asservissement 110, qui sera décrit plus loin en référence à la figure 7 , contrôle le moteur électrique 94 à partir d'un signal de commande SC délivré par un capteur d'effort 112 porté à l'extrémité libre du bras distal 14 du mécanisme articulé 10. Comme indiqué précédemment, ces moyens de motorisation trouvent avantageusement une application dans le cas d'un pantographe ferroviaire comme montré à la figure 6. Le pantographe de la figure 6 correspond à celui des figures 3 et 4. Dans cet exemple particulier, le pantographe ferroviaire comprend un aileron 82 analogue à celui décrit précédemment. La manivelle 108 est avantageusement solidaire en rotation de l'aileron, c'est-à-dire plus particulièrement des leviers 86, lesquels sont solidaires en rotation de l'axe de sortie 22 de l'équilibreur 18.
La mise en place de cet asservissement vise notamment à répondre au problème de la dissociation des systèmes qui génèrent des forces de pression sur la caténaire 74 et de la maîtrise de l'inertie de la structure du pantographe. Ceci est destiné à pallier les incidences des variations de parallélisme entre la caténaire et la voie ferrée, qu'elles soient dues à la géométrie même de la ligne ou aux oscilla- tions que provoque sur la caténaire le passage d'un premier pantographe et que doivent suivre d'éventuels pantographes suiveurs . Ces moyens de motorisation à asservissement sont, dans l'exemple, montés sur l'équilibreur mécanique 18. Un tel équilibreur mécanique génère de manière intrinsèque un couple sinusoïdal équilibrant à 98% la masse de la structure. Dans le cas du pantographe, la cinématique induite permet, elle aussi, d'assurer de manière intrinsèque la génération de l'effort sur la caténaire avec la même précision, et ceci quelle que soit la position de déploiement de la structure du pantographe. En outre, les faibles valeurs d'inertie et de frottement de l'équilibreur, ainsi que sa forte bande passante, le rendent particulièrement adapté à une motorisation de ce type.
La structure du pantographe construite autour de l'équili- breur 18 permet de compenser, dans de très bonnes conditions, les perturbations des efforts horizontaux de toutes sortes auxquelles elle est soumise. Il en résulte que la relation entre l' actionneur et l'effort sur les archets qu'il génère reste pratiquement indépendante de la vitesse du train, du sens de marche du pantographe et de sa hauteur de déploiement.
La motorisation 90 permet de prendre en charge essentiellement les efforts inertiels nécessaires au déplacement vertical de la structure. Ces moyens de motorisation ont des performances dynamiques particulièrement intéressantes. Ils sont à même de compenser, si nécessaire, les efforts résiduels provoqués notamment par la pénétration dans l'air de la structure du pantographe, de préférence en coordination avec l'aileron 82 décrit précédemment. C'est la raison pour laquelle ces moyens de motorisation 90 sont avantageusement combinés au pantographe avec aileron, comme on le voit sur la figure 6. En outre, ces moyens de motorisation permettent de compenser de manière analogue, et si nécessaire, tout ou partie de l'équilibrage ou de générer tout ou partie des efforts des archets sur la caténaire.
Conformément à l'invention, la chaîne cinématique de l'asservissement est homocinétique. Il en résulte que, quelle que soit la position du pantographe, le gain mécanique entre le couple moteur et l'accélération linéaire des archets sera pratiquement constant.
Cette cinématique est obtenue en recréant un système bielle/- manivelle (manivelle 108) qui transforme un effort constant en couple sinusoïdal, lequel couple est retransformé en effort constant par la structure du pantographe au niveau des archets 76 et 78.
Dans ces conditions, la sinusoïde de la manivelle 108 est synchronisée, c'est-à-dire en phase, avec celle du pantographe.
Le réducteur 98 (figure 5) est avantageusement constitué par un réducteur à trains de pignons ayant un rapport inverse à celui de l'amplification entre la structure du pantographe et la manivelle (manivelle 108) de motorisation.
La vis sans fin 102 est avantageusement une vis de type réversible à haut rendement inverse. Pour cela, on préfère utiliser une vis à billes à filets roulés, de préférence une vis ayant un diamètre de 30 mm et un pas de 30 mm.
Dans l'exemple représenté, la vis est réversible, et c'est la raison pour laquelle on prévoit aussi un réducteur. Mais, en variante, on pourra utiliser une vis à pas plus petit, sans réducteur, mais dont le rendement inverse serait moins élevé.
L'embrayage 100 permet de débrayer les moyens de motorisation 90, par exemple en cas de panne de ces derniers, pour permettre une marche dégradée du pantographe. Cela signifie que, dans un tel mode de fonctionnement, les performances du pantographe seraient analogues à celles d'un pantographe non asservi.
On se réfère maintenant à la figure 7 pour décrire un exemple de moyens d'asservissement 110. On retrouve sur la figure 7 le moteur 94 et la dynamo tachymétrique 96. La dynamo tachymétrique entraînée par le moteur délivre un signal de vitesse SV.
Le circuit 110 comprend en outre un premier amplificateur opérationnel 114 (boucle de vitesse) recevant ce signal de vitesse SV et produisant un premier signal de sortie SI qui est envoyé à un deuxième amplificateur opérationnel 116 (boucle de courant). Ce deuxième amplificateur opérationnel délivre un deuxième signal de sortie S2 qui est reçu par un amplificateur de puissance 118, lequel délivre un courant de sortie CS envoyé au moteur électrique 94 et dont l'image est envoyée au deuxième amplificateur opérationnel 116. Le capteur d'effort 112 (porté par les archets du pantographe) délivre un signal de commande SC qui est appliqué à l'entrée du deuxième amplificateur opérationnel 116.
Ainsi, le contrôle de l'effort archets-caténaire est appliqué au niveau de la boucle de courant de l'asservissement (amplificateur opérationnel 116). Ceci permet un très court temps de réponse de 1 ' ensemble et une gestion de grandeurs parfaitement homogènes puisque le couple délivré par le moteur 94 est proportionnel au signal de commande de cette boucle.
Par ailleurs, il est prévu une opération de déploiement et de repliement 120 propre à recevoir un signal de commande SRD appliqué au premier amplificateur opérationnel (boucle de vitesse) pour réaliser le repliement ou le déploiement du mécanisme articulé 10, c'est-à-dire dans l'exemple du pantographe .
De plus, un signal d'urgence SU est envoyé par un dispositif de sécurité 122 fonctionnant en cas de rupture du caténaire. Ce dispositif de sécurité envoie le signal d'urgence pour replier la structure du pantographe dans l'un ou l'autre des cas suivants (donnés à titre d'exemple) : - disparition prolongée de l'effort archets-caténaire en phase de fonctionnement,
- arrivée intempestive de la structure à son point haut,
- disparition prolongée du courant d'alimentation de la motrice,
- envoi du signal d'urgence par tout autre système de détection.
Il peut être intéressant, dans certains cas, d'effectuer un correctif entre le signal SC délivré par le capteur d'effort et l'effort réel exercé par les archets sur la caténaire. Ainsi il permet de tenir compte des forces inertielles dues à la mécanique placée en aval du capteur et notamment aux archets. Pour cela on prévoit des moyens correctifs 124 propres à délivrer un correctif entre le signal de commande SC délivré par le capteur d'effort 112 et l'effort réel s 'exerçant sur la charge F, ici sur la caténaire. Ces moyens correctifs comprennent des moyens derivateurs propres à dériver par rapport au temps les variations de vitesse prélevées sur la dynamo tachymétrique 96 et à les appliquer à l'entrée du deuxième amplificateur opérationnel 116. Ce signal, linéaire à l'accélération, va générer un courant, donc un couple, propre à compenser les efforts inertiels définis ci-dessus qui sont eux-mêmes proportionnels à ladite accélération.
Le système d'asservissement utilisé en servitude pour le repliement ou le déploiement de la structure, est, comme déjà indiqué, doublé par un autre système assurant le repli du pantographe en cas de défection du premier système, par exemple par la motorisation additionnelle 40 montrée à la figure 2.
Il doit être entendu que les moyens de motorisation avec asservissement , tels que décrit précédemment, peuvent s ' appliquer en combinaison à d' autres moyens d' équilibrage . De plus, ils ne se limitent pas à l'application à un mécanisme articulé du type pantographe ferroviaire.
Pour la bonne compréhension du dessin (figure 6), on a disposé le système de motorisation d'asservissement verticalement sur l'axe portant l'aileron. En pratique, et pour des raisons d'encombrement, ce système de motorisation sera monté indifféremment sur l'un des deux axes de sortie de l'équilibreur et sera disposé horizontalement à côté de celui-ci.
On comprendra que l'objet de l'invention possède de multiples applications, notamment pour des manipulateurs, dispositifs de transfert, pantographes ferroviaires, etc.
Les moyens d'équilibrage du dispositif de l'invention font avantageusement appel à un équilibreur du type décrit par le brevet français 88 02 423 précité.
Bien entendu, il est possible d'utiliser d'autres moyens d'équilibrage, à partir du moment où ceux-ci possèdent une bande passante élevée.

Claims

Revendications
1. Dispositif d'équilibrage d'une force, du type comprenant un mécanisme articulé (10) formé d'un bras proximal (12) porté par un support et calé sur un premier axe de rotation (20) et d'un bras distal (14) porté par le bras proximal et calé sur un deuxième axe de rotation (24) qui s'étend parallèlement au premier axe, le bras distal ayant une extrémité libre (26) portant une charge (F),
caractérisé en ce qu'il comprend des premiers moyens d'équilibrage (18) à forte bande passante ayant un axe de sortie (20) et agissant sur le bras proximal (12), des seconds moyens d'équilibrage (18) à forte bande passante ayant un axe de sortie (22) et agissant sur le bras distal (14), ainsi que des moyens de coordination à forte bande passante, interposés entre les premiers moyens d'équilibrage et les seconds moyens d'équilibrage pour coordonner les mouvements de rotation respectifs du bras proximal et du bras distal.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un équilibreur (18) propre à procurer un couple mécanique sinusoïdal et ayant deux axes de sortie (20, 22) qui ont des vitesses de rotation synchronisées mais de sens opposés, et en ce que ces axes de sortie (20, 22) sont liés en rotation respectivement avec le premier axe de rotation (20) du bras proximal (12) et avec le deuxième axe de rotation (24) du bras distal (14).
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens d'équilibrage comprennent des moyens de motorisation (40; 90).
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'un (20) des deux axes de sortie constitue l'axe de rotation du bras proximal (12), tandis que l'autre axe de sortie (22) est couplée à l'axe de rotation (24) du bras distal (14) par des moyens de transmission, en particulier des moyens ayant au moins un parallélogramme déformable.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le bras proximal (12) et le bras distal
(14) ont une même longueur (L) .
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend une motorisation addition- nelle (40) formée d'au moins un actionneur couplé à au moins un organe mobile (34) du dispositif.
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que cette motorisation additionnelle (40) est propre à déplacer le mécanisme articulé (10) de l'une à l'autre de deux positions qui comprennent une position de service et une position de rangement.
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'un au moins des premiers moyens d'équilibrage (18, 20) et des seconds moyens d'équilibrage (18, 22) comprend des moyens de réglage propres à faire varier la charge (F) appliquée à l'extrémité libre (26) du bras distal (14) .
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens de réglage comprennent une masse déplaçable sur le bras proximal (12) ou le bras distal (14).
10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend une motorisation additionnelle (40; 90) commandée par un capteur d'effort placé en un endroit choisi pour permettre soit d'assister un opérateur dans le cas d'un déplacement manuel, soit d'assurer une force constante sur un organe donné.
•11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'extrémité libre (26) du bras distal (14) porte les archets (76, 78) d'un pantographe propre à capter l'énergie électrique d'une caténaire (74) en sorte que la charge est ici formée par la force qu'exercent les archets sur la caténaire.
12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, prises en combinaison avec la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un accessoire (82), notamment un aileron, qui est monté solidaire en rotation du deuxième axe de sortie (22), en étant soit monté sur ce deuxième axe de sortie, soit monté fou sur le premier axe de sortie (20), qui possède une géométrie choisie et qui se déplace parallèlement au bras distal (14) dont il est aussi solidaire en rotation, cet accessoire (82) étant disposé sur un rayon de giration (R) tel que sa pénétration dans l'air génère un couple égal et opposé au couple de pénétration dans l'air du mécanisme articulé (10), ces deux couples s 'annulant dans la mécanique de liaison.
13. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte une motorisation d'asservissement (90) comprenant un moteur électrique (94) couplé à une vis sans fin (102) coopérant avec un écrou (104), cet écrou étant porté par une manivelle (108) couplée à l'un du premier axe de sortie (20) et du deuxième axe de sortie (22), et en ce que des moyens d'asservissement (110) contrôlent le moteur électrique (94) à partir d'un signal de capteur d'effort (112) porté à l'extrémité libre du bras distal (14).
14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que la vis sans fin (102) est une vis réversible entraînée par le moteur électrique (94) par l'intermédiaire d'un réducteur (98) et en ce qu'un mécanisme d'embrayage (100) est intercalé entre le réducteur (98) et la vis sans fin (102).
15. Dispositif selon l'une des revendications 13 et 14, dans lequel les moyens d'asservissement comprennent une dynamo tachymétrique (96) entraînée par le moteur électrique (94) et propre à délivrer un signal de sortie (SV), un premier amplificateur opérationnel (114) (boucle de vitesse) recevant ce signal de vitesse (SV) et produisant un premier signal de sortie (SI), un deuxième amplificateur opérationnel (116) (boucle de courant) recevant le premier signal de sortie (SI) et délivrant un deuxième signal de sortie (S2), un a plifica- teur de puissance (118) recevant ce deuxième signal de sortie (S2) et délivrant un courant de sortie (CS) envoyé au moteur électrique (94) et dont l'image est envoyée au deuxième amplificateur opérationnel (116), caractérisé en ce que le signal de commande (SC) délivré par le capteur d'effort (112) est appliqué à l'entrée du deuxième amplificateur opérationnel (116) (boucle de courant).
16. Dispositif selon l'une des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que la motorisation d'asservissement (90) constitue un système de servitude afin d'assurer le repliement et le déploiement (120) du mécanisme articulé (10).
17. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que le mécanisme de repliement et de déploiement (120) est propre à recevoir un signal de commande (SRD) appliqué au premier amplificateur opérationnel (114) (boucle de vitesse) pour réaliser le repliement ou le déploiement du mécanisme articulé (10), ce signal de commande (SRD) étant prioritaire sur le signal du capteur d'effort, ramené à la boucle de courant.
18. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que le mécanisme de repliement et de déploiement (120) est propre à recevoir un signal d'urgence (SU) appliqué au premier amplificateur opérationnel (114) (boucle de vitesse) pour réaliser le repliement du mécanisme articulé (10) en cas d'urgence, ce signal d'urgence (SU) étant prioritaire sur le signal du capteur d'effort, ramené à la boucle de courant.
19. Dispositif selon l'une des revendications 15 à 18, caractérisé en ce que les moyens d'asservissement (110) comprennent des moyens correctifs (124) propres à effectuer un correctif entre le signal de commande (SC) délivré par le capteur d'effort (112) et l'effort réel s 'exerçant sur la charge (F), ces moyens correctifs comprenant des moyens derivateurs propres à dériver par rapport au temps les variations de vitesse prélevées sur la dynamo tachymétrique (96) et à les appliquer à l'entrée du deuxième amplificateur opérationnel (116).
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