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Six touches pour un mouvement linéaire plus précis

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Voici six facteurs mécaniques et structurels qui influent sur la performance de l'ingénierie des commandes

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Même avec le contrôleur de mouvement le plus sophistiqué, les concepteurs peuvent éprouver des difficultés à obtenir un mouvement linéaire précis, à moins que les composants mécaniques ne soient conçus pour l'application

Même avec le contrôleur de mouvement le plus sophistiqué, les ingénieurs peuvent avoir du mal à obtenir des mouvements linéaires précis, à moins que les composants mécaniques ne soient conçus de manière appropriée pour l'application. Certes, les différents marchés ont des définitions différentes de la précision, des niveaux nanométriques dans l'industrie des semi-conducteurs aux normes relativement généreuses de 0,01 pouce observées dans l'emballage ou l'impression de journaux. C'est donc l'industrie et l'application qui déterminent généralement le niveau de précision nécessaire. Il est également important de connaître l'environnement opérationnel, car certains environnements rendent plus difficile l'atteinte de la cible requise.

Commençons par examiner comment définir la précision. La précision est une combinaison de précision et de répétabilité. La précision, c'est-à-dire l'écart entre la position cible d'un mouvement et la position réelle, reflète les cibles de mouvement qui sont approchées de différentes directions (multidirectionnelles). La précision de positionnement est donc l'écart maximal entre la position réelle et la position cible pendant chaque mouvement. La répétabilité concerne la précision avec laquelle un système de déplacement linéaire se positionne lorsqu'il s'approche d'une position de façon répétée dans la même direction, en tenant compte des écarts de position réelle par rapport à la position cible. Les ingénieurs peuvent améliorer ces paramètres en se concentrant sur les six domaines suivants.

Précision de déplacement

La précision de déplacement mesure le tangage (vers le haut et vers le bas), le lacet (d'un côté à l'autre) et le roulis (autour de l'axe). La minimisation de ces mouvements dépend de la qualité du système de guidage et de la surface sur laquelle il est monté. Les systèmes à mouvement linéaire s'adaptent généralement à leurs surfaces de montage, de sorte que la précision de déplacement varie en fonction de l'alignement, de la préparation et des tolérances de la surface de la machine.

respectent les tolérances standard de l'industrie en matière de hauteur, de largeur et de parallélisme. Par exemple, Bosch Rexroth, Charlotte, N.â€...C., propose des produits couvrant une gamme de six précision, allant de N (précision normale) tolérances hauteur/largeur de ±100 μm/±40 μm à UP (précision ultra) tolérances hauteur/largeur de ±5 μm. Gardez à l'esprit que plus la marge de tolérance diminue, plus les coûts des composants augmentent. Le fait de dépenser davantage pour les composants et de ne pas tenir compte de la planéité et de la rectitude des éléments structurels gaspille de l'argent et diminue la précision de déplacement de l'axe et de la machine.

De plus, les roulements qui circulent à l'intérieur d'un guide linéaire peuvent provoquer des vibrations de précision qui réduisent les vibrations lorsque les roulements passent d'un état "porteur" à un état "non porteur". Certains fabricants optimisent la géométrie du point de transition des roulements avec des blocs de coulissage spécialisés de haute précision pour minimiser les vibrations. Par exemple, le rail à billes haute précision de Bosch Rexroth utilise un insert en acier avec des zones de décharge qui amortissent les forces d'entrée des billes à l'extrémité du chemin de roulement. Le résultat est un mouvement régulier et extrêmement doux lorsque les billes circulent dans les chemins de roulement.

Précision de positionnement

La précision du positionnement dépend des capacités et des tolérances de l'entraînement, telles qu'une vis à billes électromécanique, un vérin hydraulique ou pneumatique, un moteur linéaire électrique ou une crémaillère, entre autres.

Les vis à billes peuvent présenter une erreur de pas ou une déviation de pas importante à l'intérieur de la vis à billes ou de l'écrou à billes - l'élément généralement relié à la charge et l'entraînant. Le degré d'erreur dépend souvent de la méthode de fabrication utilisée pour générer les filets de vis. Le meulage peut introduire des erreurs de pas dues aux imprécisions inhérentes à la machine, à l'usure de l'outil ou au réchauffement de l'arbre de la vis à billes pendant le processus de meulage. Le filetage par laminage peut introduire des erreurs de plomb principalement par le traitement thermique de post-traitement.

Le meulage est traditionnellement reconnu comme étant plus précis que le laminage, mais l'écart se rétrécit. Certaines vis laminées Rexroth offrent une précision de classe 5 ou même de classe 3 pour la déviation de course (avance), avec une déviation maximale de ±12 μm sur 300 mm de course. Les techniques de correction électronique, qui compensent les petites erreurs d'avance sur les courses standard, peuvent encore améliorer la précision

L'ajout d'un retour externe sur l'axe de la machine peut également améliorer la précision du positionnement. Ceci peut être fait indirectement à l'aide d'un codeur rotatif ou directement à l'aide d'une échelle linéaire. Par exemple, l'IMS (Integrated Measuring System) de Bosch Rexroth intègre une balance dans le rail de guidage et une tête de capteur sur le palier. Le retour de position du capteur permet au servomoteur de corriger la position finale du mouvement.

Rigidité du système

C'est un domaine où les facteurs mécaniques réduisent souvent l'efficacité des commandes les plus fines. La rigidité du châssis et de la base de la machine, l'épaisseur, le matériau (par exemple, l'aluminium ou l'acier) et la construction du châssis (solide ou tubulaire) peuvent tous avoir un impact sur la précision. Des facteurs mécaniques tels que la précontrainte, la longueur de l'axe, les types d'éléments antifriction et le support de palier, ainsi que les fixations reliant le système de déplacement linéaire au châssis peuvent tous influencer indirectement la précision de la machine.

La rigidité du système est critique parce que toute force ou charge appliquée aux composantes du mouvement - vers le bas, vers le haut ou latéralement - peut causer une flexion, un ennemi de la répétabilité. Plus la force est grande, plus la déflexion est importante. Pour lutter contre ce phénomène, les concepteurs améliorent souvent la rigidité ou la rigidité globale du bloc de guidage linéaire en introduisant une précharge avec des éléments antifriction surdimensionnés. Le graphique "Effets de la précharge" montre une précharge typique, utilisant des éléments roulants surdimensionnés (Dk) dans la fente du rail de guidage (diamètre D). Les fabricants de guides linéaires offrent généralement des niveaux de précontrainte très variables pour minimiser la déflexion.

L'entraînement peut contribuer à la rigidité totale du système grâce à la rigidité de ses roulements de support, de l'écrou à bille et de la vis à bille elle-même. Le facteur le plus important affectant la rigidité de l'entraînement de la vis est sa longueur : plus la vis est longue, plus il est difficile de compenser la déflexion. Les techniques de compensation comprennent une précontrainte supplémentaire ou le choix d'un écrou à bille plus rigide.

Vitesse

Les applications exigeantes et à haut débit présentent des défis de taille car les temps de cycle courts ont parfois des exigences de vitesse qui mettent à rude épreuve les limites de la vitesse et des capacités d'accélération des guidages linéaires et des vis à billes.

La première limite est la vitesse critique de l'arbre de la vis à billes - la vitesse à laquelle la vis vibre ou oscille excessivement (appelée fouet de vis). Cette vitesse dépend largement de la longueur de l'arbre et des paliers. La capacité des concepteurs à modifier la vitesse critique se limite principalement au choix des supports de roulement. Les fixations fixes (où les roulements sont contraints aux deux extrémités de la vis) permettent les vitesses critiques les plus élevées, et les systèmes libres fixes, les plus faibles.

Dans le cas d'un montage fixe, le palier est véritablement fixé sur la vis et possède un jeu de roulements conçu pour supporter une charge axiale. Les supports flottants peuvent être choisis parce qu'ils présentent moins de frottement, ce qui permet une meilleure performance thermique, mais ils ont une vitesse critique inférieure à celle des supports fixes. Les supports flottants n'utilisent généralement qu'un roulement radial pour supporter la charge radiale ou le poids de la vis dans l'espace. Cet arrangement prend son nom flottant car le roulement peut flotter ou se déplacer dans le boîtier du bloc oreiller lorsque la tige de la vis se dilate et se contracte sous l'effet des changements de température.

La deuxième limitation est la vitesse caractéristique du système de roulement, basée sur la circulation des éléments antifriction. Dans le cas d'une vis à billes, l'écrou à billes représente le système de roulement. La température, les vibrations et l'inertie des billes jouent toutes un rôle.

La plus basse des deux vitesses est la plus critique pour un contrôle précis du mouvement. La vitesse caractéristique est indépendante de la longueur de l'arbre, mais la vitesse critique diminue à mesure que la longueur augmente. Lorsqu'un système atteint une vitesse critique, les vibrations augmentent, la précision diminue et les performances (par exemple, l'usinage de la qualité de surface d'une machine-outil) diminuent. De plus, l'ensemble vis à billes se fatigue beaucoup plus rapidement.

Considérations thermiques

Tous les composants à mouvement linéaire (moteur, roulements et écrou) génèrent de la chaleur qui doit être prise en compte ; une bonne gestion de ces influences thermiques peut améliorer les performances et la précision d'un système. Les différentes parties d'un axe peuvent avoir des températures différentes en fonction du temps de fonctionnement, du cycle dynamique et des forces exercées sur chaque partie. Laisser flotter les roulements dans un bloc d'oreiller permet l'expansion et la contraction des vis à billes, mais l'inconvénient est qu'ils sont moins rigides. L'utilisation d'une combinaison de roulements fixes, ou de roulements capables de supporter des charges axiales/de poussée, et de paliers flottants à paliers radiaux donne une flexibilité thermique tout en améliorant les caractéristiques de vitesse.

La déformation thermoélastique représente un autre défi pour les ingénieurs, car la chaleur influence la dilatation linéaire de tous les composants. Une déformation pourrait entraîner un désalignement ou un déplacement, ce qui exercerait une force excessive sur les roulements et les écrous. Cette force crée du frottement, ce qui conduit à une production de chaleur encore plus importante. Plus la rigidité d'une application est élevée, plus la chaleur générée par la friction affectera l'alignement, la rigidité et la performance. La bonne nouvelle, c'est qu'avec les progrès de l'électronique d'entraînement et de commande, les concepteurs peuvent souvent compenser ou compenser ces influences thermiques.

Résonance de la machine

Tous ces facteurs peuvent faire résonner ou vibrer les machines, ce qui compromet la précision et la qualité. Dans les cas extrêmes, les vibrations - telles que celles produites par le dépassement de la vitesse critique - peuvent provoquer le "fouettement" de la vis et endommager la machine. D'autres causes possibles de vibration incluent :

Battement excessif ou comportement incorrect de la vis de rotation concentrique par rapport à l'axe central de la vis à billes, du tourillon d'entraînement ou d'un autre composant.

Contrecoup excessif.

Influences extérieures (résonance des machines voisines, des chariots élévateurs, du système de chauffage, de ventilation et de climatisation, etc.) Cela est souvent négligé. Il est possible d'y remédier en installant la machine sur un socle de fondation spécial et isolé.

Prise de décision en matière de conception

Sur certains marchés, une plus grande précision peut ne pas justifier l'affectation de ressources importantes à des améliorations mineures, mais elle peut aussi aider à différencier un nouveau produit. Gardez également à l'esprit le niveau de précision exigé par les normes et les besoins du marché.

Dans une application particulière, des exigences de débit extrêmement élevées peuvent également limiter la précision. De plus, la nécessité d'un temps de changement rapide peut nécessiter des compromis en termes de précision pour obtenir une conception plus simple.

Enfin, il faut tenir compte des nouvelles exigences du marché, en particulier dans les domaines de la consommation d'énergie et de la fabrication sans gaspillage. L'amélioration de la précision peut réduire considérablement le gaspillage et les pièces rejetées, ce qui ajoute encore un autre élément aux avantages des systèmes de mouvement linéaire plus précis.