FR3134437A1 - rotary balancer improvement - Google Patents
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Abstract
Un équilibreur rotatif de force comprend un premier ensemble avec un cadre comportant 4 côtés, deux groupes de ressorts chacun appuyant sur un poussoir longitudinal, les groupes de ressorts sont opposés de manière à définir entre eux un espace variable selon un degré de compression des ressorts, cet espace variable augmentant lorsque les ressorts sont comprimés, et diminuant lorsque les ressorts vont en de détendant. Les poussoirs longitudinaux appuient sur deux systèmes de galets fixés par des axes sur deux pignons, les deux pignons s'engrenant, les systèmes de galets tournent en sens inverse l'un par rapport à l'autre entre les deux poussoirs longitudinaux, le tout formant un bloc ressorts. L'équilibreur comprend en outre un deuxième ensemble avec un bâti de cinématique (qui porte les pignons) sur lequel le cadre du premier ensemble est fixé par un système de fixation.A rotary force balancer comprises a first assembly with a frame comprising 4 sides, two groups of springs each pressing on a longitudinal pusher, the groups of springs are opposed so as to define between them a variable space according to a degree of compression of the springs, this variable space increasing when the springs are compressed, and decreasing when the springs relax. The longitudinal pushers press on two systems of rollers fixed by axes on two pinions, the two pinions meshing, the roller systems rotate in opposite directions relative to each other between the two longitudinal pushers, the whole forming a spring block. The balancer further comprises a second assembly with a kinematic frame (which carries the pinions) to which the frame of the first assembly is fixed by a fixing system.
Description
Cette invention est relative à un équilibreur rotatif des forces, notamment de pesanteur, agissant sur un bras de robot ou analogue. Plus particulièrement l'invention concerne un perfectionnement d'un équilibreur rotatif.This invention relates to a rotating balancer of forces, in particular gravity, acting on a robot arm or the like. More particularly the invention relates to an improvement of a rotary balancer.
La demande de brevet français n° 2 627 718 publiée le 1er septembre 1989 décrit un équilibreur rotatif des forces, notamment de pesanteur, agissant sur un bras de robot ou analogue, qui permet, à partir d’un système équipé de ressorts standards (donc à efforts linéaires) de générer, sur un bras polaire animé d’un mouvement de rotation, un couple résistant sinusoïdal sur un mouvement potentiel de 360°. Ce système est d’une grande précision, les ressorts industriels utilisés (type ressorts de soupapes) sont particulièrement résistants et ont une grande linéarité de l’effort délivré de sorte que la forme sinusoïdale du couple généré est très précise.French patent application No. 2,627,718 published on September 1, 1989 describes a rotary balancer of forces, in particular gravity, acting on a robot arm or the like, which allows, from a system equipped with standard springs (therefore with linear forces) to generate, on a polar arm driven by a rotational movement, a sinusoidal resistant torque over a potential movement of 360°. This system is very precise, the industrial springs used (valve spring type) are particularly resistant and have a high linearity of the force delivered so that the sinusoidal form of the torque generated is very precise.
Bien que la
La
L'invention vise à améliorer l'équilibreur de l'art antérieur, et ainsi d’assurer une excellente qualité d’équilibrage — avec un rendement supérieur à 90%, une bande passante de plusieurs centaines de Hertz— pour tous types d’applications nécessitant des temps de réponse très courts, y compris celles concernant des systèmes asservis embarqués sur des véhicules.The invention aims to improve the balancer of the prior art, and thus to ensure excellent balancing quality — with an efficiency greater than 90%, a bandwidth of several hundred Hertz — for all types of applications requiring very short response times, including those concerning servo systems on board vehicles.
Dans un premier aspect, l'invention est un équilibreur rotatif de force comprenant un premier ensemble formant un bloc ressort, avec un cadre délimité par une paire de premiers côtés opposés et une paire de deuxièmes côtés, un premier et un deuxième groupe de ressorts, le premier groupe de ressorts ayant un côté de chaque ressort fixé à un premier côté allongé d'un premier poussoir longitudinal et l'autre côté de chaque ressort fixé sur un premier des deuxièmes côtés pour se trouver à l'intérieur du cadre, le deuxième groupe de ressorts ayant un côté de chaque ressort fixé à un premier côté allongé d'un deuxième élément poussoir longitudinal et l'autre côté de chaque ressort fixé sur un deuxième des deuxièmes côtés, donc à l'opposé du premier des deuxièmes côtés, pour se trouver à l'intérieur du cadre, les premier et deuxième éléments poussoirs longitudinaux étant configurés pour se regarder du côté de leur deuxième côté allongés qui sont à l'opposé de leur premiers côtés allongés respectifs, et pour définir entre eux un espace variable selon un degré de compression des ressorts, cet espace variable augmentant lorsque les ressorts sont comprimés, et diminuant lorsque les ressorts vont en de détendant, un premier et un deuxième système de galets pousseurs, chacun des premier et deuxième systèmes comprenant une paire de galets pousseurs reliés entre eux respectivement par un premier et un deuxième axe de liaison, les premier et deuxième systèmes étant solidaires en rotation d'un premier et d'un deuxième pignons pour tourner sur respectivement les axes de rotation du premier et du deuxième pignon, se trouvant au milieu respectivement du premier et du deuxième axe de liaison entre les centres de deux galets, les premier et deuxième pignons s'engrenant, les systèmes de galets pousseurs tournent en sens inverse l'un par rapport à l'autre entre les deuxièmes côtés des poussoirs longitudinaux. L'équilibreur comprend en outre un deuxième ensemble avec un bâti de cinématique qui porte les pignons sur lequel le cadre du premier ensemble est fixé par un système de fixation, le système de fixation étant caractérisé en ce qu'il comprend une liaison mécanique entre les premier et deuxième ensembles, la liaison mécanique étant configurée pour assurer une compliance suffisante, c'est-à-dire laissant une possibilité au bloc ressorts de se déplacer par rapport au bâti afin que le bloc ressorts puisse se positionner sans contrainte de manière que les éléments poussoirs longitudinaux génèrent sur les premier et deuxième systèmes de galets pousseurs un seul effort de couple à l’exclusion de tout effort de flexion sur les premier et deuxièmes axes desdits premier et deuxième systèmes de galets pousseurs.In a first aspect, the invention is a rotary force balancer comprising a first assembly forming a spring block, with a frame delimited by a pair of first opposite sides and a pair of second sides, a first and a second group of springs, the first group of springs having one side of each spring attached to a first elongated side of a first longitudinal pusher and the other side of each spring attached to a first of the second sides to lie within the frame, the second group of springs having one side of each spring fixed to a first elongated side of a second longitudinal pusher element and the other side of each spring fixed to a second of the second sides, therefore opposite the first of the second sides, for be inside the frame, the first and second longitudinal push elements being configured to look at each other from the side of their second elongated side which are opposite their respective first elongated sides, and to define between them a variable space according to a degree of compression of the springs, this variable space increasing when the springs are compressed, and decreasing when the springs are released, a first and a second system of push rollers, each of the first and second systems comprising a pair of connected push rollers between them respectively by a first and a second connecting axis, the first and second systems being integral in rotation with a first and a second pinions to rotate respectively on the axes of rotation of the first and the second pinion, located at middle respectively of the first and the second connecting axis between the centers of two rollers, the first and second pinions meshing, the systems of push rollers rotate in opposite directions relative to each other between the second sides of the pushers longitudinal. The balancer further comprises a second assembly with a kinematic frame which carries the pinions on which the frame of the first assembly is fixed by a fixing system, the fixing system being characterized in that it comprises a mechanical connection between the first and second assemblies, the mechanical connection being configured to ensure sufficient compliance, that is to say leaving a possibility for the spring block to move relative to the frame so that the spring block can be positioned without constraint so that the longitudinal push elements generate on the first and second push roller systems a single torque force excluding any bending force on the first and second axes of said first and second push roller systems.
Dans un mode de réalisation préféré la liaison mécanique compliante entre les premier et deuxième ensembles soit réalisée par des systèmes vis écrou soudés et non bloqués, passant chacun par un passage opéré dans le premier ensemble et étant soudé dans le deuxième ensemble, dont un jeu entre vis écrou et un alésage de son passage permet la compliance suffisante configurée pour être compatible avec la course du bloc ressorts nécessaire à son positionnement correct.In a preferred embodiment, the compliant mechanical connection between the first and second assemblies is made by welded and unblocked screw and nut systems, each passing through a passage made in the first assembly and being welded in the second assembly, of which a clearance between screw nut and a bore of its passage allows sufficient compliance configured to be compatible with the stroke of the spring block necessary for its correct positioning.
Dans encore un mode de réalisation préféré, les pièces mobiles de l'équilibreur, les galets, les axes de liaison qui portent les galets, les pignons et des roulements qui portent les pignons sont dimensionnées par un calcul dans lequel chacun des deux éléments poussoirs longitudinaux exerce un force de même valeur mais de direction opposée sur l'ensemble des deux galets sur lesquels il s'appuie par sa surface et donc uniquement en fonction du couple transmis par les systèmes de galets pousseurs à l'exclusion de tout autre effort parasite, notamment de tout effort de flexion de manière à réduire la taille, la masse et donc l'inertie des pièces et ainsi donner à l'équilibreur une bande passante élevée de plusieurs centaines de Hertz.In yet another preferred embodiment, the moving parts of the balancer, the rollers, the connecting pins which carry the rollers, the pinions and the bearings which carry the pinions are dimensioned by a calculation in which each of the two longitudinal push elements exerts a force of the same value but in opposite direction on all of the two rollers on which it rests by its surface and therefore only as a function of the torque transmitted by the push roller systems to the exclusion of any other parasitic force, in particular any bending effort so as to reduce the size, mass and therefore the inertia of the parts and thus give the balancer a high bandwidth of several hundred Hertz.
Dans encore un mode de réalisation, la liaison mécanique compliante entre bloc ressorts et le bâti permet de corriger d’éventuelles différences entre les ressorts de chacun des côtés du bloc ressorts et, dans tous les cas, de réduire les valeurs de frottement des pièces mobilesIn yet another embodiment, the compliant mechanical connection between the spring block and the frame makes it possible to correct possible differences between the springs on each side of the spring block and, in all cases, to reduce the friction values of the moving parts.
Dans un deuxième aspect, l'invention propose une utilisation de l'équilibreur de l'un des paragraphes précédents, dans laquelle l'équilibreur est intégré dans une boucle d'asservissement dans laquelle une masse se déplace verticalement, c'est-à-dire dans une direction parallèle à un axe de force gravitationnelle, l'intégration étant configurée pour permettre à un moteur dudit système d'asservissement d'être piloté sur une boucle de courant.In a second aspect, the invention proposes a use of the balancer from one of the preceding paragraphs, in which the balancer is integrated into a control loop in which a mass moves vertically, that is to say say in a direction parallel to an axis of gravitational force, the integration being configured to allow a motor of said servo system to be driven on a current loop.
Dans un troisième aspect, l'invention propose une utilisation de l'équilibreur de l'un des paragraphes précédents, dans laquelle pour éviter qu'un ensemble composé par l'équilibreur et un moteur ne réagisse aux variations de l'effort de contact générés par les vibrations de la liaison mécanique entre, d'une part l'équilibreur et le moteur, et d'autre part un point de contact — alors qu'il ne doit réagir qu'aux variations d'efforts générés par un point d'appui externe —, la valeur de la fréquence propre de la liaison mécanique sera intégrée dans les paramètres de l'asservissement, notamment un filtre passe-bas qui supprime les hautes fréquences sera utilisé.In a third aspect, the invention proposes a use of the balancer of one of the preceding paragraphs, in which to prevent an assembly composed of the balancer and a motor from reacting to variations in the contact force generated by the vibrations of the mechanical connection between, on the one hand the balancer and the motor, and on the other hand a point of contact - whereas it must only react to variations in forces generated by a point of contact external support —, the value of the natural frequency of the mechanical link will be integrated into the servo parameters, in particular a low-pass filter which suppresses high frequencies will be used.
Dans un quatrième aspect, l'invention propose une utilisation de l'équilibreur de l'un des paragraphes précédents pour appliquer une force verticale, c'est-à-dire dans une direction parallèle à un axe de force gravitationnelle, l’équilibreur fournissant l’effort de poussée sur toute la course verticale utile et la bande passante de plusieurs centaines de Hertz de l'équilibreur assurant sans une autre motorisation la permanence du suivi du point d'application, celui-ci étant susceptible de se déplacer verticalement.In a fourth aspect, the invention proposes a use of the balancer of one of the preceding paragraphs to apply a vertical force, that is to say in a direction parallel to an axis of gravitational force, the balancer providing the thrust force over the entire useful vertical stroke and the bandwidth of several hundred Hertz of the balancer ensuring, without another motorization, the permanent monitoring of the point of application, the latter being capable of moving vertically.
Avantageusement, l'invention permet de diminuer la taille des pièces de l'équilibreur en supprimant les risques d'efforts parasitaires de flexions sur les arbres qui supportent les galets afin de minimiser l'inertie de ces pièces mobiles.Advantageously, the invention makes it possible to reduce the size of the parts of the balancer by eliminating the risks of parasitic bending forces on the shafts which support the rollers in order to minimize the inertia of these moving parts.
En outre l'invention permet de supprimer les risques d'efforts parasitaires de flexion que ces risques soient structurels (ressorts pas parfaitement identiques, déformation des pièces sous contraintes) ou accidentels (rupture d'un ressort).Furthermore, the invention makes it possible to eliminate the risks of parasitic bending forces, whether these risks are structural (springs not perfectly identical, deformation of parts under stress) or accidental (breakage of a spring).
En outre l'invention améliore la bande passante de l'équilibreur et aussi la pérennise après tout échange ou rupture de ressort qui pourrait créer un déséquilibre.In addition, the invention improves the bandwidth of the balancer and also its durability after any exchange or breakage of the spring which could create an imbalance.
Finalement l'invention optimise les performances de l'équilibreur pour faire en sorte qu'il n'altère pas les performances d'un système d'asservissement qui le pilote.Finally, the invention optimizes the performance of the balancer to ensure that it does not alter the performance of a servo system which controls it.
L'invention sera décrite au fil de la description détaillée d'exemples de réalisations de l'invention, et en référence au dessin suivant :The invention will be described throughout the detailed description of examples of embodiments of the invention, and with reference to the following drawing:
Description détaillée de modes de réalisation de l'inventionDetailed description of embodiments of the invention
La
- un cadre délimité par une paire de premiers côtés opposés2et une paire de deuxièmes côtés (5,7);
- un premier et un deuxième groupe de ressorts6,
- le premier groupe de ressorts6ayant un côté de chaque ressort6fixée à un premier côté allongé3d'un premier poussoir longitudinal4et l'autre côté de chaque ressort6fixé sur un premier5des deuxièmes côtés pour se trouver à l'intérieur du cadre,
- le deuxième groupe de ressorts6ayant un côté de chaque ressort6fixée à un premier côté allongé3d'un deuxième élément poussoir longitudinal4et l'autre côté de chaque ressort6fixé sur un deuxième7des deuxièmes côtés, donc à l'opposé du premier5des deuxièmes côtés, pour se trouver à l'intérieur du cadre,
- les premier et deuxième éléments poussoirs longitudinaux4étant configurés pour se regarder du côté de leur deuxième côté allongés9qui sont à l'opposé de leur premiers côtés allongés3respectifs, et pour définir entre eux un espace variable selon un degré de compression des ressorts6, cet espace variable augmentant lorsque les ressorts6sont comprimés, et diminuant lorsque les ressorts6vont en de détendant, et
- un premier et un deuxième système de galets pousseurs8, chacun des premier et deuxième systèmes8comprenant une paire de galets pousseurs1reliés entre eux respectivement par un premier11et un deuxième13axe de liaison, les premier et deuxième systèmes8étant solidaires en rotation du premier et du deuxième pignons pour tourner respectivement sur les axes de rotation15et16du premier et du deuxième pignons se trouvant au milieu respectivement du premier11et du deuxième13axe de liaison entre les centres des deux galets1, les premier et deuxième pignons s'engrenant, le système pousseur8tournent en sens inverse l'un par rapport à l'autre entre les deuxièmes côtés des poussoirs longitudinaux4.
- a frame delimited by a pair of first opposite sides 2 and a pair of second sides ( 5 , 7 );
- a first and a second group of springs 6 ,
- the first group of springs 6 having one side of each spring 6 fixed to a first elongated side 3 of a first longitudinal pusher 4 and the other side of each spring 6 fixed to a first 5 of the second sides to lie at the inside the frame,
- the second group of springs 6 having one side of each spring 6 fixed to a first elongated side 3 of a second longitudinal pusher element 4 and the other side of each spring 6 fixed to a second 7 of the second sides, therefore to the opposite the first 5 of the second sides, to be inside the frame,
- the first and second longitudinal push elements 4 being configured to look at each other from the side of their second elongated side 9 which are opposite their respective first elongated sides 3 , and to define between them a variable space according to a degree of compression of the springs 6 , this variable space increasing when the springs 6 are compressed, and decreasing when the springs 6 relax, and
- a first and a second system of push rollers 8 , each of the first and second systems 8 comprising a pair of push rollers 1 connected to each other respectively by a first 11 and a second 13 connecting axis, the first and second systems 8 being integral in rotation of the first and second pinions to rotate respectively on the axes of rotation 15 and 16 of the first and second pinions located in the middle respectively of the first 11 and the second 13 connecting axis between the centers of the two rollers 1 , the first and second gears meshing, the pusher system 8 rotates in opposite directions relative to each other between the second sides of the longitudinal pushers 4 .
Chaque ressort6correspond ainsi à un ressort du bloc ressorts. La
L'équilibreur de forces peut être utilisé seul ou en concert avec un ou plusieurs équilibreurs équivalent(s).The force balancer can be used alone or in concert with one or more equivalent balancers.
La démarche consiste à mettre en place entre le bloc ressorts et le bâti12qui porte les pignons une compliance, c'est à dire une liaison laissant la possibilité au bloc ressorts de se déplacer par rapport au bâti12, de sorte que sous l’effet de la contrainte, le bloc ressorts se positionne systématiquement sur les premier et deuxième systèmes de galets pousseurs8en intégrant ainsi toutes les distorsions dues à la variation de contrainte des ressorts6et aux modifications par la déformation des premiers côtés opposés2, des premier et deuxième éléments poussoirs longitudinaux4et des premier5et deuxième7des deuxièmes côtés qui les fixent. Le bloc ressort peut ainsi s'équilibrer et chacun des deux poussoirs longitudinaux 4 exerce la même force d'une manière parfaitement symétrique sur l'ensemble des deux galets1sur lesquels il s'appuie. L'invention évite à chacun des premier et deuxième systèmes de galets8de transmettre au pignon dont il est solidaire tout effort autre que le couple à transmettre, notamment aucun effort de flexion.The approach consists of setting up a compliance between the spring block and the frame 12 which carries the pinions, that is to say a connection allowing the spring block to move relative to the frame 12 , so that under the effect of the constraint, the spring block is systematically positioned on the first and second systems of push rollers 8 thus integrating all the distortions due to the variation in stress of the springs 6 and to modifications by the deformation of the first opposite sides 2 , of the first and second longitudinal push elements 4 and first 5 and second 7 of the second sides which fix them. The spring block can thus balance itself and each of the two longitudinal pushers 4 exerts the same force in a perfectly symmetrical manner on all of the two rollers 1 on which it rests. The invention prevents each of the first and second roller systems 8 from transmitting to the pinion to which it is attached any force other than the torque to be transmitted, in particular no bending force.
L'invention permet de dimensionner les pièces de l'équilibreur, notamment les galets, les arbres qui portent les galets, les pignons et les roulements qui portent les pignons, par un calcul dans lequel chacun des deux poussoirs longitudinaux 4 exerce un force de même valeur mais de direction opposée sur l'ensemble des deux galets1sur lesquels il s'appuie par sa surface 9 et donc uniquement sur le couple transmis par les systèmes de galets pousseurs 8, à l'exclusion de tout autre effort parasite, notamment de tout effort de flexion. La taille et la masse de ces pièces peut donc être réduite au minimumThe invention makes it possible to dimension the parts of the balancer, in particular the rollers, the shafts which carry the rollers, the pinions and the bearings which carry the pinions, by a calculation in which each of the two longitudinal pushers 4 exerts a force of the same value but in opposite direction on all of the two rollers 1 on which it rests by its surface 9 and therefore only on the torque transmitted by the systems of push rollers 8, to the exclusion of any other parasitic force, in particular of any bending effort. The size and mass of these parts can therefore be reduced to a minimum
Ainsi l'invention permet de travailler d’une part avec des pièces moins contraintes donc plus petites et plus légères, d’autre part en réduisant au minimum les efforts et les dimensions des pièces dans les différents composants de l'équilibreur, l'inertie des pièces mobiles de l'équilibreur est réduite et l'équilibreur a ainsi un meilleur rendement et une bande passante plus élevée.Thus the invention makes it possible to work on the one hand with less constrained parts and therefore smaller and lighter, on the other hand by reducing to a minimum the efforts and the dimensions of the parts in the different components of the balancer, the inertia of the balancer's moving parts is reduced and the balancer thus has better efficiency and higher bandwidth.
Une liaison mécanique14entre les premier et deuxième ensembles est configurée pour assurer une compliance suffisante, c'est-à-dire laissant une possibilité au bloc ressorts de se déplacer par rapport au bâti12qui porte les pignons, afin que le bloc ressorts puisse se positionner sans contrainte de manière que les éléments poussoirs longitudinaux4génèrent sur les premier et deuxième systèmes de galets pousseurs8un seul effort de couple à l’exclusion de tout effort de flexion sur les premier et deuxièmes axes desdits premier et deuxième systèmes de galets pousseurs8.A mechanical connection 14 between the first and second assemblies is configured to ensure sufficient compliance, that is to say leaving a possibility for the spring unit to move relative to the frame 12 which carries the pinions, so that the spring unit can position themselves without constraint so that the longitudinal push elements 4 generate on the first and second systems of push rollers 8 a single torque force to the exclusion of any bending force on the first and second axes of said first and second roller systems pushers 8 .
Ladite compliance va permettre à l’ensemble du bloc ressorts de se positionner en fonction des seuls efforts sur les systèmes de galets pousseurs8et générer sur ceux-ci un seul effort de couple ramené sur le pignon (il n’y a aucun effort de flexion). Les liaisons mécaniques14— 4 liaisons mécaniques14sont contenues dans la
On voit donc que le positionnement des blocs ressorts ne dépend que des contraintes générées par les premier et deuxième systèmes de galets pousseurs8, et se trouve donc indépendant de toutes perturbations extérieures, et toute déformation des pièces soumises à des contraintes essentiellement variables. On se trouve donc dans un système assurant un excellent équilibrage avec une bande passante maximum. Ledit système donnera donc une performance maximale à l’asservissement du système qu’il doit suivre (ce système n'est pas illustré dans la
Par ailleurs, la liaison mécanique compliante entre bloc ressorts et le bâti12permet de corriger d’éventuelles différences de caractéristiques entre les ressorts6de chacun des côtés du bloc ressorts et, dans tous les cas, d'éviter tout déséquilibre et donc de réduire au minimum les valeurs de frottement entre les pièces mobiles. En effet un déséquilibre provoquerait des efforts parasites sur les pièces et ces efforts provoqueraient des frottements. Notamment la liaison mécanique compliante entre bloc ressorts et le bâti permet aux roulements qui relient les pignons au bâti12de subir uniquement des forces radiales. Un déséquilibre leur transmettrait des efforts axiaux qui perturberaient leur fonctionnement et engendreraient des frottements.Furthermore, the compliant mechanical connection between the spring block and the frame 12 makes it possible to correct possible differences in characteristics between the springs 6 on each side of the spring block and, in all cases, to avoid any imbalance and therefore to reduce minimum friction values between moving parts. In fact, an imbalance would cause parasitic forces on the parts and these forces would cause friction. In particular, the compliant mechanical connection between the spring block and the frame allows the bearings which connect the pinions to the frame 12 to undergo only radial forces. An imbalance would transmit axial forces to them which would disrupt their operation and cause friction.
En cas de rupture d'un ressort6sur un côté du bloc ressort, la liaison mécanique compliante entre bloc ressorts et le bâti permettra au bloc ressorts de se repositionner et ainsi de ne pas générer de déséquilibre et donc de contraintes supplémentaires sur les galets pousseurs8.In the event of breakage of a spring 6 on one side of the spring block, the compliant mechanical connection between the spring block and the frame will allow the spring block to reposition itself and thus not generate imbalance and therefore additional stress on the push rollers 8 .
La liaison mécanique14compliante peut être réalisée de diverses façons, et notamment par un système vis écrou non bloqué et soudé, le jeu potentiel assurant la compliance étant alors situé entre la vis et son trou de passage. Sur la
Le niveau de performance de l’équilibreur selon l'invention, que ce soit au niveau de sa qualité (supérieure à 90%) et sa bande passante (plusieurs centaines de hertz), permet sur certaines applications, dans lesquelles une force constante doit être appliquée et le point d'application de cette force variant sur une certaine course verticale, que l’équilibreur fournisse la compensation du poids ainsi que l’effort de poussée sur toute la course verticale. La faible inertie des pièces mobiles et donc la bande passante élevée de l'équilibreur permet de supprimer la motorisation. En effet, les efforts inertiels —beaucoup plus faibles— peuvent alors être pris en compte par l’équilibreur. La première montée, et la descente peuvent être assurées par un vérin pneumatique électrique ou autre, qui serait déconnecté pendant la phase opérationnelle. Par exemple, sur un tramway, donc à relativement basse vitesse, le pantographe doit appliquer une force constante sur la caténaire tout en suivant les variations de hauteur de ladite caténaire, le niveau de performance de l'équilibreur lui permet de compenser le poids du pantographe, d'appliquer la force constante sur la caténaire et de faire le suivi de la position verticale de la caténaire sans motorisation. Autre exemple : la capture du courant par un patin sur un rail, notamment mais pas seulement sur des véhicules tels que les trains, les métros et les véhicules automobiles et camions, le niveau de performance de ce dispositif lui permet de compenser le poids du patin, d'appliquer la force de contact (qui est le plus souvent verticale vers le bas) et d'assurer le suivi de la position verticale relative du rail par rapport au véhicule. Ce point est particulièrement intéressant sur les camions électriques à captage du courant sur un rail car la hauteur du camion varie en fonction de la charge du camion ainsi que des mouvements de la suspension, ainsi la course verticale du patin est importante, plusieurs dizaines de centimètres, voir plus, et il est nécessaire d'appliquer la force de contact sur toute la course verticale.The level of performance of the balancer according to the invention, whether in terms of its quality (greater than 90%) and its bandwidth (several hundred hertz), allows for certain applications, in which a constant force must be applied and the point of application of this force varying over a certain vertical stroke, that the balancer provides compensation for the weight as well as the thrust force over the entire vertical stroke. The low inertia of the moving parts and therefore the high bandwidth of the balancer makes it possible to eliminate the motorization. Indeed, the inertial forces—much lower—can then be taken into account by the balancer. The first rise and descent can be ensured by an electric or other pneumatic cylinder, which would be disconnected during the operational phase. For example, on a tram, therefore at relatively low speed, the pantograph must apply a constant force on the catenary while following the variations in height of said catenary, the level of performance of the balancer allows it to compensate for the weight of the pantograph , to apply the constant force on the catenary and to monitor the vertical position of the catenary without motorization. Another example: the capture of current by a shoe on a rail, in particular but not only on vehicles such as trains, metros and motor vehicles and trucks, the level of performance of this device allows it to compensate for the weight of the shoe , to apply the contact force (which is most often vertical downward) and to monitor the relative vertical position of the rail in relation to the vehicle. This point is particularly interesting on electric trucks with current collection on a rail because the height of the truck varies depending on the load of the truck as well as the movements of the suspension, thus the vertical travel of the shoe is significant, several tens of centimeters , see more, and it is necessary to apply the contact force over the entire vertical stroke.
Sur les boucles d'asservissement, les performances de l'équilibreur obtenues grâce à la présente invention, permettent audit équilibreur d'avoir une bande passante du même ordre de grandeur que celle de la boucle de courant. Ainsi dans un système d'asservissement dans lequel une masse se déplace verticalement, le système d'équilibrage permet au système d'asservissement d'avoir les mêmes performances dans le plan vertical qu'il aurait sans équilibrage dans le plan horizontal avec la même motorisation.On the control loops, the performance of the balancer obtained thanks to the present invention allows said balancer to have a bandwidth of the same order of magnitude as that of the current loop. Thus in a servo system in which a mass moves vertically, the balancing system allows the servo system to have the same performance in the vertical plane that it would have without balancing in the horizontal plane with the same motorization .
En particulier, mais pas seulement, sur un système comportant une certaine masse qui se déplace verticalement et qui a pour but d'appliquer une force verticale déterminée constante sur une certaine course, l'invention permet à un système d'asservissement comportant d'une part un équilibreur produisant un couple permettant d'équilibrer la masse sur toute la course verticale et éventuellement d'appliquer tout ou partie de la force verticale déterminée et d'autre part un moteur électrique, de piloter le moteur uniquement par la boucle de courant.In particular, but not only, on a system comprising a certain mass which moves vertically and which aims to apply a determined vertical force constant over a certain stroke, the invention allows a servo system comprising a on the one hand a balancer producing a torque making it possible to balance the mass over the entire vertical stroke and possibly to apply all or part of the determined vertical force and on the other hand an electric motor, to control the motor solely by the current loop.
Par exemple, pour un pantographe de capture du courant sur une caténaire asservi à l'effort archet-caténaire, l’asservissement de l’effort archets caténaires, pendant le fonctionnement dynamique, c'est-à-dire pendant l'asservissement à l'effort archet-caténaire, se fera en pilotant directement le moteur par la boucle de courant du système d’asservissement seule. Les mouvements monte et baisse de la structure dépendront du réglage complémentaire de la boucle de vitesse, les positions extrêmes de la course pouvant être atteintes et contrôlées par une boucle de position. Ces 3 phases distinctes de fonctionnement avec des niveaux de performances très différents simplifient considérablement la structure du pantographe, elles permettent d’assurer les différents services avec une seule motorisation et une seule structure.For example, for a pantograph for capturing current on a catenary controlled by the bow-catenary force, the control of the catenary bow force, during dynamic operation, that is to say during control of the catenary The bow-catenary effort will be done by directly controlling the motor using the current loop of the servo system alone. The upward and downward movements of the structure will depend on the additional adjustment of the speed loop, the extreme positions of the stroke being able to be reached and controlled by a position loop. These 3 distinct phases of operation with very different performance levels considerably simplify the structure of the pantograph, they make it possible to provide the different services with a single motorization and a single structure.
Cependant, dans ce cas d'un asservissement à un effort, une limitation les performances du système asservi peut venir d'un manque de rigidité de la liaison mécanique entre, d'une part l'équilibreur et le moteur, et d'autre part le point de contact. Afin de s'affranchir au maximum de cette limitation, il est intéressant d'avoir une liaison la plus rigide possible afin que cette liaison ait la fréquence propre la plus élevée possible. Cependant, quelle que soit la fréquence propre de la liaison mécanique, ses vibrations sont transmises au point de contact et donc au capteur d'effort. Le temps de réponse de l'ensemble équilibreur - moteur obtenu par la présente invention est si élevé que l'asservissement pourra réagit aux variations de l'effort de contact générés par les vibrations de la liaison mécanique alors qu'il ne doit réagir qu'aux variations d'efforts générés par le point d'appui externe, dans notre exemple la caténaire. Pour éviter ces réactions, la valeur de la fréquence propre de la liaison mécanique sera intégrée dans les paramètres de l'asservissement. Notamment un filtre passe-bas qui supprime les hautes fréquences sera utilisé.However, in this case of servo-control to an effort, a limitation in the performance of the servo-controlled system may come from a lack of rigidity of the mechanical connection between, on the one hand the balancer and the motor, and on the other hand the point of contact. In order to overcome this limitation as much as possible, it is advantageous to have the most rigid connection possible so that this connection has the highest possible natural frequency. However, whatever the natural frequency of the mechanical connection, its vibrations are transmitted to the point of contact and therefore to the force sensor. The response time of the balancer - motor assembly obtained by the present invention is so high that the servo will be able to react to variations in the contact force generated by the vibrations of the mechanical connection whereas it must only react to variations in forces generated by the external support point, in our example the catenary. To avoid these reactions, the value of the natural frequency of the mechanical link will be integrated into the servo parameters. In particular a low-pass filter which removes high frequencies will be used.
La consigne de force à appliquer peut varier à la demande en fonction, par exemple, de conditions particulières sur certaines parties du trajet.The force instruction to be applied can vary on demand depending, for example, on particular conditions on certain parts of the journey.
Claims (7)
un premier ensemble formant un bloc ressorts, avec
- un cadre délimité par une paire de premiers côtés opposés (2) et une paire de deuxièmes côtés (5, 7),
- un premier et un deuxième groupe de ressorts (6),
- le premier groupe de ressorts (6) ayant un côté de chaque ressort (6) fixé à un premier côté allongé (3) d'un premier poussoir longitudinal (4) et l'autre côté de chaque ressort (6) fixé sur un premier (5) des deuxièmes côtés pour se trouver à l'intérieur du cadre,
- le deuxième groupe de ressorts (6) ayant un côté de chaque ressort (6) fixé à un premier côté (3) allongé d'un deuxième élément poussoir longitudinal (4) et l'autre côté de chaque ressort (6) fixé sur un deuxième (7) des deuxièmes côtés, donc à l'opposé du premier (5) des deuxièmes côtés, pour se trouver à l'intérieur du cadre,
- les premier et deuxième éléments poussoirs longitudinaux (4) étant configurés pour se regarder du côté de leur deuxième côté allongés (9) qui sont à l'opposé de leur premiers côtés allongés (3) respectifs, et pour définir entre eux un espace variable selon un degré de compression des ressorts (6), cet espace variable augmentant lorsque les ressorts (6) sont comprimés, et diminuant lorsque les ressorts (6) vont en de détendant,
- un premier et un deuxième système de galets pousseurs (8), chacun des premier et deuxième systèmes comprenant une paire de galets pousseurs (1) reliés entre eux respectivement par un premier et un deuxième axe de liaison (11, 13), les premier et deuxième systèmes (8) étant solidaires en rotation d'un premier et d'un deuxième pignons pour tourner sur respectivement les axes de rotation (15, 16) du premier et du deuxième pignon, se trouvant au milieu respectivement du premier et du deuxième axe de liaison (11, 13) entre les centres de deux galets (1), les premier et deuxième pignons s'engrenant, les systèmes de galets pousseurs (8) tournent en sens inverse l'un par rapport à l'autre entre les deuxièmes côtés des poussoirs longitudinaux (4),
- un bâti (12) de cinématique qui porte les pignons sur lequel le cadre du premier ensemble est fixé par un système de fixation,
une liaison mécanique (14) entre les premier et deuxième ensembles, la liaison mécanique (14) étant configurée pour assurer une compliance suffisante, c'est-à-dire laissant une possibilité au bloc ressorts de se déplacer par rapport au bâti (12) afin que le bloc ressorts puisse se positionner sans contrainte de manière que les éléments poussoirs longitudinaux (4) génèrent sur les premier et deuxième systèmes de galets pousseurs (8) un seul effort de couple à l’exclusion de tout effort de flexion sur les premier et deuxièmes axes (11, 13) desdits premier et deuxième systèmes de galets pousseurs (8).Rotary force balancer including
a first assembly forming a spring unit, with
- a frame delimited by a pair of first opposite sides (2) and a pair of second sides (5, 7),
- a first and a second group of springs (6),
- the first group of springs (6) having one side of each spring (6) attached to a first elongated side (3) of a first longitudinal pusher (4) and the other side of each spring (6) attached to a first (5) second sides to lie inside the frame,
- the second group of springs (6) having one side of each spring (6) attached to a first elongated side (3) of a second longitudinal push member (4) and the other side of each spring (6) attached to a second (7) of the second sides, therefore opposite the first (5) of the second sides, to be inside the frame,
- the first and second longitudinal push elements (4) being configured to look at each other from the side of their second elongated side (9) which are opposite their respective first elongated sides (3), and to define between them a variable space according to a degree of compression of the springs (6), this variable space increasing when the springs (6) are compressed, and decreasing when the springs (6) relax,
- a first and a second system of push rollers (8), each of the first and second systems comprising a pair of push rollers (1) connected to each other respectively by a first and a second connecting axis (11, 13), the first and second systems (8) being integral in rotation with a first and a second pinion to rotate respectively on the axes of rotation (15, 16) of the first and second pinion, being located in the middle of the first and second axis respectively connection (11, 13) between the centers of two rollers (1), the first and second pinions meshing, the systems of push rollers (8) rotate in opposite directions relative to each other between the second sides of the longitudinal pushers (4),
- a kinematics frame (12) which carries the pinions on which the frame of the first assembly is fixed by a fixing system,
a mechanical connection (14) between the first and second assemblies, the mechanical connection (14) being configured to ensure sufficient compliance, that is to say leaving a possibility for the spring unit to move relative to the frame (12) so that the spring block can be positioned without constraint so that the longitudinal push elements (4) generate on the first and second systems of push rollers (8) a single torque force to the exclusion of any bending force on the first and second axes (11, 13) of said first and second push roller systems (8).
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|---|---|---|---|
| FR2203351A FR3134437B1 (en) | 2022-04-12 | 2022-04-12 | rotary balancer improvement |
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Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
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-
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Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2627718A1 (en) | 1988-02-26 | 1989-09-01 | Oppermann Rene | FORCE BALANCING DEVICE, ESPECIALLY WEIGHING, ACTING ON A ROBOT ARM OR THE LIKE |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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| WO2023199142A1 (en) | 2023-10-19 |
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