[0001] Au cours des nombreuses opérations relatives à la fabrication et/ou la commercialisation
des câbles, des cordes et d'autres produits fabriqués en grande longueur, il est nécessaire
ou désirable de les stocker par enroulement sur des bobines de dimensions adéquates.
Ces bobines, que l'on nommera tourets dans la suite du texte, sont constituées d'un
fût au moins approximativement cylindrique limité par deux surfaces approximativement
planes et parallèles, perpendiculaires à l'axe du cylindre et désignées par le terme
usuel de joues.
[0002] L'opération de chargement, c'est-à-dire enroulement d'un câble, d'un tube ou autre
produit sur le touret consiste à faire tourner ce dernier sur lui-même autour de son
axe et, dans le cas qui nous intéresse, à guider le produit dans sa partie extérieure
au touret de manière à ce que l'enroulement s'effectue régulièrement en spires aussi
jointives que possible . On parle alors de trancannage.
[0003] Dans le cas des systèmes à usage industriel, le touret est entraîné par un moteur.
Le guidage du produit à enrouler, que nous désignerons par le terme câble dans la
suite du texte, est effectué soit manuellement par un opérateur, soit par un dispositif
de guidage mécanique. Les systèmes actuellement connus de trancannage automatique
peuvent être divisés en deux groupes : les bobinoirs fixes à guide mobile, les bobinoirs
mobiles (autotrancannants) à guide fixe.
[0004] Dans les deux cas, le mouvement relatif de translation est assuré par un dispositif
comprenant au moins un variateur de vitesse réglable qui fait correspondre à la rotation
du touret d'enroulement un déplaéement prédéterminé (programmé) du guide, proportionnel
au pas fixé. Un dispositif de renversement du sens de déplacement faisant généralement
appel α- des butées assume la fonction d'interversion du guidage lorsque le câble
atteint une joue.
[0005] Dans la pratique, l'opérateur essaye d'obtenir un bobinage aussi précis que possible,
c'est-à-dire sans espacement des spires et sans chevauchement, en corrigeant manuellement
la position du guidage et/ou le pas, le but étant de poser le câble contre la spire
précédente en la forçant légèrement contre celle-ci.
[0006] Si l'on examine en détail les paramètres du problème, on est amené à faire les remarques
suivantes ;
- les tourets de chargement ne sont pas parfaits géométriquement - (irrégularités
à l'usinage ou acquise par suite de chocs) : le corps cylindrique n'est pas parfaitement
centré par rapport à l'axe de rotation, les joues ne sont qu'imparfaitement perpendiculaires
à cet axe.
- l'introduction du câble (amorce du bobinage) crée une perturbation qui se répercute
de proche en proche sur les spires suivantes.
- le changement de couche contre les joues constitue lui aussi un point singulier.
- les défauts de serrage se répercutent souvent d'une couche à la suivante.
[0007] Il résulte des 3 premières remarques ci-dessus que l'angle d'hélice d'un bobinage
parfaitement exécuté n'est pas constant. Un câble parfaitement enroulé n'a pas exactement
la forme d'une hélice régulière.
[0008] En conséquence, le trancannage à avance programmée ne permet pas (dans de nombreux
cas) l'obtention d'un bobinage parfaitement régulier tel qu'il est désiré par le càblier.
[0009] La fig. 1 représente schématiquement pour la compréhension une vue partielle développée
d'un câble en cours de bobinage.
[0010] On désignera dans la suite du texte les paramètres suivants :
α = angle de chargement, c'est-à-dire angle que forme le câble, dans sa partie approximativement
rectiligne située juste avant le point de tangence au touret avec un plan perpendiculaire
à l'axe de rotation du touret
β = angle d'hélice, c'est-à-dire angle que forme la tangente au câble, en un point
quelconque de sa partie déjà enroulée, avec un plan perpendiculaire à l'axe de rotation
du touret, cet angle étant à considérer pour chaque point particulier.
γ=β-α = angle de serrage, c'est-à-dire angle que forme approximativement la portion
de câble en cours de pose en son point de tangence avec la spire précédente.
[0011] Cet angle de serrage conditionne la mise en place du câble : s'il est trop fort la
spire en formation risque de chevaucher la précédente, s'il est trop faible ou négatif,
la spire s'écarte de la précédente.
[0012] L'angle d'hélice n'étant pas constant pour les diverses raisons énoncées ci-dessus,
il s'en suit que l'angle de chargement doit être en permanence adapté, ce afin de
maintenir aussi constante que possible la valeur de l'angle de serrage.
[0013] L'objet de la présente invention est d'apporter une solution à ce problème, soit
maintenir par asservissement l'angle de serrage à une valeur constante.
[0014] Du point de vue réglage automatique, le problème est apparemment simple : il suffit
de réaliser un asservissement de la position relative guide-touret.
[0015] La difficulté toutefois consiste à définir la valeur de consigne de cette position,
puisque son but est de réaliser une condition bien particulière pour une grandeur
(l'angle de serrage) qui n'est pas mesurable directement.
[0016] Comme défini à la fig. 1, cet angle est la différence entre l'angle d'hélice et l'angle
de chargement. Ce sont donc ces deux angles qu'il s'agit de déterminer.
[0017] Il est à remarquer que l'angle d'hélice β tel que représenté à la fig. l est, pour
les besoins du dessin, notablement plus grand que nature. L'expérience montre que
l'angle de serrage γ désirable est normalement plus grand que l'angle d'hëlice β.
Il s'en suit que l'angle de chargement α= β -γ est en réalité négatif, c'est-à-dire
que le câble est en fait retenu en arrière, le guidage étant en retard comme on le
verra plus loin à propos de la fig. 4.
[0018] La fig. 2 montre schématiquement à titre d'exemple pour la compréhension une forme
de réalisation du dispositif selon la présente invention,
[0019] vue en plan :
Un touret 20 tourne autour de son axe, entraîné par un dispositif motorisé non représenté.
[0020] Ce dispositif d'entraînement est muni d'un premier capteur non représenté (absolu
ou incrémentiel) de type usuel, potentiomètre ou codeur optique par exemple, fournissant
sous forme électrique un signal permettant de connaître la position angulaire Ω du
touret. Ce même capteur fournira au besoin l'information de vitesse de la rotation
: valeur dérivée de la position dans le cas d'une mesure par potentiomètre, fréquence
des impulsions dans le cas d'un capteur incrémentiel.
[0021] Un guide 21, constitué ici de deux galets cylindriques à axe vertical assure la fonction
de guider le câble en cours de bobinage. Ce guide est mobile selon l'axe X` X" , cet
axe étant parallèle à l'axe de rotation du touret : Un dispositif d'entraînement motorisé
usuel de type connu (vis mère ou chaîne par exemple) assure son déplacement. Ce dispositif
(non représenté) est en plus muni d'un deuxième capteur (potentiomètre ou codeur optique
par exemple) destiné à fournir un signal analogique ou numérique correspondant au
déplacement du guide selon son axe de translation X' X", en valeur absolue ou incrémentielle.
[0022] Un troisième capteur, solidaire d'un bras 23 portant un galet oscillant 22, permet
de connaître l'angle de chargement α , c'est-à-dire l'angle que forme le câble 24
par rapport à la perpendiculaire à l'axe de rotation du touret 20 : Le bras supportant
ce galet 22 a par exemple comme point de rotation celui des deux guides 21 qui le
précède. Il est rappelé par un ressort ou encore par exemple par un cylindre pneumatique,
ce afin de le maintenir en contact avec le câble.
[0023] Dans le cas d'un cylindre pneumatique, le galet pourra ainsi être automatiquement
dégagé vers la gauche lors de l'opération de mise en place de l'amorce du câble, puis
pressé en position de mesure en temps opportun.
[0024] Le capteur définissant l'angle de chargement α peut être un potentiomètre coaxial
au point d'oscillation du bras, mais il peut tout aussi bien être de type inductif,
capacitif ou constitué d'un codeur binaire. Il peut éventuellement être de type linéaire,
couplé au ressort ou au piston pneumatique de rappel.
[0025] Le galet 22 peut être muni enfin d'un quatrième capteur de rotation (par exemple
du type incrémentiel) dans le but de connaître la vitesse de défilement du câble et
accessoirement la longueur chargée, par comptage ou intégration des impulsions.
[0026] Ces capteurs étant des modèles usuels connus du commerce, il n'en sera pas fait description
plus détaillée ici.
[0027] Le capteur de mesure du défilement peut d'ailleurs tout aussi bien être indépendant
du galet 22, le signal correspondant pouvant être fourni par le dispositif existant
sur la machine de production.
[0028] Dans le cas fréquent où l'on préfère la configuration du bobinoir à guide fixe avec
translation axiale du touret, il est évident que le capteur de position longitudinal
du guide 21 selon l'axe X' X" est purement et simplement remplacé par un capteur équivalent
solidaire de la translation du dit touret. Le moteur de translation du touret servira
d'actuateur à l'asservissement de position. Les autres capteurs mentionnés gardent
leurs fonctions respectives : le système doit être compris dans un espace relatif
dont on change simplement le référentiel.
[0029] Remarque : Cette dernière configuration, bien que plus coûteuse vu la masse de matériel
à déplacer, présente l'avantage substantiel d'une position et d'une direction fixes
du câble à son entrée dans le guide, cette position étant dans l'axe d'une machine
de production, telle une cordeuse ou une extrudeuse.
[0030] En résumé, le système décrit ci-dessus comporte jusqu'ici :
- un touret de trancannage motorisé avec capteur de sa position angulaire Ω
- un guide d'entrée du câble
- un mécanisme d'asservissement assurant la translation relative du guide par rapport
au touret (ou inversement) et un capteur définissant cette position relative x selon
l'axe X' X"
- un galet oscillant muni d'un capteur destiné à définir l'angle de chargement α que
forme le câble par rapport au plan perpendiculaire à l'axe de rotation du touret
- un capteur accessoire de rotation fournissant l'information Δℓ du défilement du
câble.
[0031] Un examen plus attentif de l'ensemble des galets révèle une certaine simplification
dans les explications ci-dessus :
- Pour ne pas risquer un écrasement du câble par suite de légères variations de son
diamètre, les galets 21 doivent présenter un certain jeu par rapport au diamètre moyen
du câble
- Le câble n'étant pas infiniment flexible, l'angle α de chargement tel que défini
à la fig. 1 n'est pas exactement identique à celui mesuré par le capteur, le câble
présentant une certaine courbure au voisinage des galets 21.
[0032] En outre, il faut considérer que l'angle de serrage optimum (déterminé expérimentalement)
est fonction du type de câble, c'est-à-dire de son diamètre, de sa rigidité et du
coefficient de frottement de sa surface.
[0033] Dans la pratique, on constate que cet angle peut être compris, pour un câble donné,
entre deux valeurs extrêmes correspondant l'une au risque de chevauchement, l'autre
au risque de non juxtaposition des spires. Il en résulte donc une certaine marge de
tolérance.
[0034] Dans la plus part des cas, les approximations mentionnées ci-dessus seront donc sans
inconvénient.
[0035] Il est toutefois possible, dans certaines applications sévères, de perfectionner
le dispositif par les mesures suivantes, décrites ici dans le cas d`une installation
à guide fixe et touret mobile :
- L'un des galets de guidage 21 est mobile transversalement, sa position et/ou sa
force d'appui étant asservies.
[0036] Plusieùrs possibilités sont alors offertes, citons par exemple les solutions simples
suivantes :
- Palpeurs situés en amont des galets de guidage et ayant pour fonction de commander
le rapprochement ou l'éloignement du galet mobile en fonction de leur position.
- Capteur de force lié au galet non mobile et commandant le rapprochement du galet
mobile sitôt une valeur minimum atteinte, son éloignement sitôt une valeur maximum
dépassée.
- Capteur de rotation solidaire du galet non mobile commandant le rapprochement du
galet mobile sitôt détecté un arrêt de rotation
- De manièére plus simple, sans faire appel à un dispositif d'asservissement, il suffit
de munir chacun des 2 galets d'un détecteur de rotation : selon que le câble s'appuye
sur l'un ou l'autre des 2 galets, l'un tourne, l'autre pas. L'information ainsi obtenue
peut être utilisée pour corriger l'information du capteur d'angle de chargement, l'écartement
des galets étant connus.
[0037] Dans le cas de câbles particulièrement rigides et/ou de fort diamètre, l'erreur sur
la mesure de l'angle de chargement α peut ne pas être négligeable, même si le levier
oscillant est relativement long, le câble ne pouvant changer brusquement d'orientation
dès la sortie du guide 21.
[0038] Le système à bras oscillant est alors remplacé par le dispositif représenté à titre
d'exemple à la fig. 3 :
- 2 galets 31 et 32 montés sur un bras oscillant 33 s'appuyent contre le câble 34.
Le capteur angulaire non représenté sur 1a figure et destiné à la mesure de l'angle
de chargement α est alors monté au point de pivotement 35 du bras par rapport au support
coulissant 36. Le dispositif est encore muni du ressort rappel 37 qui prend appui
sur le guide fixe 38.
[0039] Comme indiqué précédement, ce ressort peut être remplacé par un cylindre pneumatique
ou tout autre dispositif conventionnel propre à assurer un déplacement longitudinal
parallèle à l'axe X' X" de translation du touret.
[0040] Le dispositif est appliqué sur une portion considérée comme raisonnablement rectiligne
du câble comprise entre les guides 21 et le point de tangence au touret 25, la distance
entre les guides 21 et le touret pouvant être augmentée sans inconvénient à une valeur
suffisante.
[0041] Etant ainsi démontré qu'il est facile de mesurer l'angle de chargement α, il faut
expliquer comment obtenir la valeur de l'angle d'hélice /3 de la spire précédente
et celà plus particulièrement au point de tangence du câble avec le touret en cours
de chargement.
[0042] La fig. 4 montre schématiquement pour la compréhension :
- le tronçon de câble compris entre le guide avec son abscisse x2 sur l'axe X' X" et le touret à son point de contact d'abscisse x1 sur la génératrice g du cylindre
- la distance h entre l'axe X' X" et la génératrice g
- l'angle de chargement α défini par rapport au plan perpendiculaire à l'axe de rotation
du touret.
[0043] En examinant cette fig. 4, on constate qu'un raisonnement immédiat faisant appel
à la géométrie élémentaire permet de comprendre qu'une no relation trigométrique simple
lie l'abscisse x
1 du point de tangence du câble à l'abscisse x
2 mesurée du guide en fonction de l'angle de chargement mesuré α,
on a en effet :
x
1 =
x2 - h.tg α
[0044] L'abscisse relative x
2 guide-touret étant mesurée par le capteur de translation, celle du point de tangence
peut ainsi être déterminée par calcul à chaque instant, au moyen d'un microprocesseur
par exemple.
[0045] Il suffit alors de mémoriser ces valeurs successives en corrélation avec celles de
la rotation Ω du touret pour connaître, par appel successif en mémoire, la position
de la spire précédente.
[0046] Comme mentionné plus haut, l'angle de chargement du câble en cours de trancannage
est généralement négatif. Ainsi, contrairement à la représentation de la fig. 4, on
a x
1>x2.
[0047] Remarquons également que la distance h varie quelque peu selon l'état de remplissage
et le diamètre du touret. Cette variation étant faible, il n'est en général pas nécessaire
d'en tenir compte, bien que le calcul trigonométrique correctif pourrait être effectué
par le microprocesseur si besoin était, le diamètre d'enroulement pouvant être déterminé
comme décrit plus loin.
[0048] De plus, le microprocesseur peut donner, par calcul simple, la valeur de l'angle
d'hélice au point considéré selon la relation :

si l'on admet de remplacer les accroissements différentiels par des accroissements
limités.
[0049] Δx est la différence entre 2 valeurs successives x
n et x
n+1 calculées pour l'abscisse du point de tangence correspondant à 2 valeurs successives
Ωn et Ω
n+1 de la position angulaire du touret mises en mémoires, Δl correspondant à la longueur
de câble ayant défilé en contact avec le galet 22 lors du même intervalle, soit :

[0050] Dans le cas de tourets de diamètre connu, le microprecesseur peut calculer lui-même
la longueur de câble enroulé sans faire appel à un capteur ad-hoc. Pour la première
couche, on a l
1=π.n
1.D où n et le nombre de spires (déterminé à partir de Ω), D le diamètre du touret.
Pour la deuxième couche : l
2=π.n
2(D + d), où d est le diamètre du câble, valeur que le microprocesseur peut facilement
déterminer à partir du déplacement moyen (pas) pour chaque tour du touret. Et ainsi
de suite.
[0051] La valeur

s'obtient de la même manière, individuellement pour chaque couche, le microprocesseur
mémorisant le nombre de couches bobinées, c'est-à-dire le nombre de renversements
de sens de l'hélice.
[0052] Un calcul trigonométrique de même nature permet alors de définir la valeur de consigne
à imposer pour la position relative touret-guide afin d'assurer la valeur correcte
de l'angle de chargement α désiré, valeur qui doit satisfaire comme décrit plus haut
à la relation α= β-γ où γ est l'angle de serrage dont la valeur, constante pour un
câble donné, est expérimentalement choisie. Cette valeur peut être introduite comme
valeur de consigne tô par insertion manuelle au panneau de commande. Elle peut aussi
être mémorisée pour les divers types et diamètres de câbles et automatiquement rap-
pellée par le processeur.
[0053] Remarque : l'asservissement pourrait également prendre α comme valeur de consigne,
la valeur mesurée étant celle donnée par le capteur correspondant. Un rapide examen
des algorithmes permet toutefois de se rendre compte que la fonction est identique,
les bases du calcul étant en fait les mêmes.
[0054] On préférera l'asservissement de la position x
2 selon l'axe X'X", la grandeur d'entrée correspondant à la mesure x étant plus pratique.
[0055] Dans une autre forme de réalisation du dispositif d'asservissement, l'angle d'hélice
β est obtenu par analyse de l'image observée par une caméra TV disposée perpendiculairement
à l'axe de rotation du touret.
[0056] Le système tel que décrit jusqu'à ce point assure la fonction de bobiner correctement
le câble par rapport à la spire précédente au cours d'une couche. Restent donc à examiner
les solutions à apporter aux transistoires que constituent le début du bobinage et
le renversement du sens de l'hélice contre les joues.
[0057] L'accrochage de l'amorce du câble est une opération manuelle. De même, l'enroulement
de la première spire est à considérer comme une opération qui ne relève pas d'un asservissement,
mais plutôt d'une programmation, le câble devant simplement être bobiné contre la
joue, circulairement dans sa première partie. L'enroulement s' effectuera ensuite
selon un pas fixé par le diamètre supposé connu du câble ou par commande manuelle
du déplacement. La mise en asservissement, c'est-à-dire son enclanchement, sera soit
décidée par l'opérateur, soit automatique, par exemple après une rotation d'une fraction
de tour du touret. La mémorisation des paramètres x, α et Ω étant effectuée dès le
début de la rotation, le système pourra intervenir aussitôt, tenant compte en particulier
de l'anomalie d'hélice causée par la naissance de la première spire puisqu'on en connaît
la position.
[0058] L'arrivée du câble contre une joue représente elle aussi une anomalie que le système
doit interpréter :
[0059] La dernière spire libre de la couche ayant été posée en hélice cylindrique, l'asservissement
va à première vue continuer le déplacement relatif guide-touret en fonction de la
position de cette dernière spire. Le câble butant toutefois sur la joue, le pas effectif
sera nul (aux irrégularités de la joue près). L'angle de chargement effectif mesuré
oC. va donc progressivement se modifier. Une comparaison avec les valeurs successives
mises en mémoire correspondant à la spire précédente permettra de décider après dépassement
d'un seuil prédéterminé le renversement du pas d'hélice. Afin d'éviter un chevauchement,
ce renversement s'effectuera par exemple après'un peu moins d'un tour, amorçant ainsi
par programmation automatique la première spire complète de la nouvelle couche.
[0060] Remarquons que le diamètre du câble est nécessairement connu du microprocesseur à
ce moment-là, soit parce que cette valeur a été manuellement introduite par l'opérateur,
soit parce qu'un capteur a été prévu pour les besoins du positionnement de l'écartement
des guides 21, soit parce que le microprocesseur l'a lui-même calculé à partir de
la moyenne des différences des valeurs successives de la translation à chaque tour
du touret : pas d'hélice moyen.
[0061] La fig. 5 montre à titre d'exemple pour la compréhension un schéma simplifié du dispositif.
[0062] Nous constatons qu'en plus des organes mentionnés à la fig. 2, le dispositif est
encore au moins muni d'une unité de commande 51 se composant au moins des interfaces
nécessaires à la réception des signaux issus des capteurs d'angles et de position,
y compris les convertisseurs analogique- digital pour la lecture des potentiomètres
correspondant à l'angle et à l'abscisse x, d'un dispositif permettant d'introduire
et/ou de corriger la valeur de consigne de l'angle de serrage, d'un microprocesseur
et/ou d'une unité arithmétique pour le traitement de ces données et leur stockage
en mémoire selon un programme (software) adéquat, d'un convertisseur digital-analogique
fournissant la valeur de consigne de l'abscisse relative x du déplacement par translation
guide-touret et d'un amplificateur d'asservissement 52 pour la commande du moteur
53 assurant le dit déplacement.
[0063] Remarquons que le processeur peut être muni au besoin d'un dispositif 54 permettant
l'affichage et/ou l'enregistrement des diverses valeurs qu'il reçoit et/ou calcule
: angle d'hélice, angle de chargement, angle de serrage, diamètre du produit, vitesse
de chargement, longueur chargée, nombres de spires et/ou de couches, vitesse de rotation
du touret, etc...
[0064] Généralement, un seul affichage commutable sur les diverses valeurs sera' utilisé,
pour les besoins du service par exemple.
[0065] L'expérience montrant que la précision nécessaire à la translation du guidage n'est
pas très sévère, l'amplificateur d'asservissement pourra, si l'on désire une solution
économique de moindre coût, être remplacé par deux comparateurs ayant comme signaux
d'entrée la valeur de consigne . issue du calculateur et la valeur de la position
réelle mesurée par le capteur. Les signaux de sortie de ces comparateurs, dont les
seuils de commutation seront légèrement décalés, serviront d'ordre de commande à deux
relais, assurant chacun un sens de marche d'un simple moteur triphasé, ce par intermittence,
c'est-à-dire par petits déplacements successifs.
[0066] La solution est évidemment sensiblement moins coûteuse que celle consistant en un
régulateur et un moteur à courant continu, tout spécialement lorsqu'il s'agit d'une
installation déjà existante à transformer.