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#Tendances produits
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Repousser les limites de la précision linéaire
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Un mouvement droit et précis est loin d'être facile.
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Un mouvement droit et précis est loin d'être facile, et les dispositifs de positionnement linéaire le prouvent en se trompant non pas dans une, mais dans trois dimensions
Juste au moment où vous pensiez avoir le concept de "mouvement linéaire" cloué au sol - frapper les points requis sur le champ et vous êtes chez vous - viennent les cinq degrés de liberté restants pour faire s'écrouler la fête. D'un point de vue grossier, il est vrai qu'un chariot linéaire se déplace principalement le long d'un axe (appelé l'axe X), mais toutes les pièces techniques présentent des imperfections, et avec notre besoin toujours croissant de précision et d'exactitude, notre attention aux détails doit également progresser en conséquence.
Pour bien décrire la précision du système, nous devons donc tenir compte des six degrés de liberté, à savoir la translation dans les axes X, Y et Z et la rotation à peu près identique.
Préoccupations relatives au placement
Pour commencer, établissons une définition claire des principaux paramètres de positionnement. Même si la plupart des ingénieurs connaissent les termes de précision, de répétabilité et de résolution, ils sont souvent mal utilisés dans la pratique. La précision est la plus difficile à atteindre, suivie de la répétabilité et, enfin, de la résolution. La précision explique la proximité d'un système en mouvement par rapport à une position de commande, une position exacte située dans l'espace théorique X-Y-Z.
La répétabilité ou la précision, en revanche, fait référence à l'erreur entre des tentatives successives de se déplacer vers le même endroit à partir de directions aléatoires. Un système linéaire parfaitement reproductible peut être très imprécis - il peut être capable d'atteindre continuellement le même endroit, qui se trouve être très éloigné de celui qui est commandé. Par exemple, une vis-mère avec un écrou suiveur fortement préchargé, mais avec une erreur de pas ou de "pas" importante, pourrait avoir une bonne répétabilité en même temps qu'une précision médiocre. La précharge maintient l'écrou rigide dans sa position axiale, ce qui réduit ou élimine le jeu et assure une course constante de l'écrou et de la charge en fonction de la rotation de l'arbre de la vis. Mais l'erreur de pas fausse la relation rotation/traduction prévue, de sorte que le système est imprécis.
La résolution est le plus petit incrément de mouvement qui peut être réalisé. Si, par exemple, la position de commande se trouve à 2 μm mais que la résolution du système est de 4 μm, la précision ne peut être meilleure que 2 μm. Dans ces circonstances, le système n'a pas la résolution nécessaire pour se rapprocher davantage de la position souhaitée.
Pour qu'un système soit précis, tous ses composants doivent être précis, reproductibles et offrir une résolution suffisante. Bien qu'un système puisse offrir une bonne précision de "plomb" mais une faible répétabilité (c'est-à-dire que le système forme une dispersion aléatoire autour du point de commande), la précision globale du système ne peut pas être meilleure que sa répétabilité.
Mesures guidées
Les dispositifs de mouvement linéaire se composent de deux éléments essentiels, un guide linéaire et un dispositif pour produire une poussée. Le guide est responsable de la limitation du mouvement dans 5 des 6 degrés de liberté disponibles dans l'espace tridimensionnel. Le guide idéal ne permet aucune translation dans les axes Y et Z et aucune rotation autour de l'un des axes, quel qu'il soit. Le dispositif de poussée (généralement une vis à billes ou à tête plombée) ne doit bien sûr produire un mouvement que dans l'axe non limité. Il est pratique d'évaluer la précision de ces deux composants séparément et de combiner ensuite les résultats pour déterminer la précision globale.
Regardons d'abord le guide. Un guide linéaire peut souffrir de plusieurs sources d'erreur : courbure de haut en bas ou d'un côté à l'autre - en d'autres termes, écarts de planéité et de rectitude ; battement vertical ; et discontinuités entre le guide et le suiveur.
La planéité et la rectitude sont les préoccupations les plus courantes, car elles sont généralement les plus importantes. Un guide parfaitement réalisé se déplace sur un plan parallèle au plan X-Y et, de plus, sur une ligne parallèle à l'axe X. L'erreur de planéité est essentiellement un écart par rapport au plan X-Y. Elle peut englober une simple courbure dans une ou deux directions. L'erreur de planéité crée toujours une translation dans l'axe Z (vertical). Selon l'orientation de la courbure, elle peut provoquer une rotation en tangage autour de l'axe Y, un roulis autour de l'axe X (cas de la déformation bidimensionnelle), ou les deux. La déformation peut également générer une légère translation dans l'axe Y, perpendiculaire au mouvement souhaité.
L'erreur de rectitude se traduit par le fait que la ligne de déplacement du chariot quitte la parallèle à l'axe X, pour s'incurver dans la direction ±Y. Outre le déplacement dans l'axe Y, il induira une rotation en lacet autour de l'axe Z.
Le faux-rond vertical est un changement systématique de la hauteur du guide linéaire lors de sa translation. Cela peut être dû à des imprécisions dans la fabrication des surfaces d'appui, créant une translation dans l'axe Z. La plupart des fabricants de guides mentionnent la planéité ou le battement vertical, ainsi que la rectitude. Il est possible pour un guide linéaire d'induire une translation Y ou Z instantanée sans rotation, mais l'ampleur de celle-ci est généralement faible. Le suiveur de guide linéaire a tendance à répartir les imperfections sur sa longueur, supprimant ainsi les déplacements brusques transversalement au mouvement souhaité.
L'effet de la rotation sur la précision dépend de l'endroit où se trouve le point d'intérêt par rapport au dispositif de référencement de la position, qui est peut-être la vis-mère elle-même ou une échelle linéaire utilisée pour la rétroaction. Dans les deux cas, l'emplacement du dispositif forme la ligne de mesure, parallèle à la direction de déplacement souhaitée. Le point d'intérêt, qui est le point cible du système de mouvement linéaire, peut cependant être décalé de la ligne de mesure. Toute rotation, par conséquent, entraînera des longueurs d'arc différentes à chacun d'eux. De plus, la distance de déplacement réelle variera de la distance enregistrée sur l'échelle en fonction de la quantité de rotation et du décalage. Plus le décalage est important, plus les erreurs de translation dues aux rotations sont importantes - c'est ce qu'on appelle l'erreur d'Abbé. Avec la vis-mère elle-même utilisée comme dispositif de référence, la ligne de mesure est centrée. Mais les codeurs linéaires sont généralement utilisés et sont montés sur le côté. Cela pourrait aggraver ou améliorer les conditions d'erreur d'Abbé, selon l'emplacement du point d'intérêt (il n'est pas toujours aligné avec le chariot et la vis-mère).
En revanche, les erreurs de traduction pures dans les axes Y et Z, dues aux discontinuités et à l'erreur verticale, restent constantes quel que soit le point d'intérêt. Les erreurs dues aux rotations peuvent être beaucoup plus trompeuses. Il est généralement plus facile et plus rentable de minimiser le décalage que de construire un système de positionnement avec des guides plus précis.
Erreur de conduite
La poussée peut être produite de plusieurs façons. Les dispositifs de haute précision les plus courants sont les vis à billes, les vis à billes et les moteurs linéaires. Les vis à billes et les vis à billes créent un type d'erreur spécifique intrinsèque à leur nature. Lorsque la vis tourne, le suiveur se déplace sur une trajectoire hélicoïdale convertissant le mouvement rotatif en mouvement linéaire. Comme l'angle d'hélice n'est jamais parfait, il faut s'attendre à une sous-course ou à une surcourse. Ce phénomène peut être cyclique (connu sous le nom d'erreur 2π) ou systématique (mesuré en tant qu'erreur moyenne par 300 mm de course). Il peut également y avoir des fréquences intermédiaires d'oscillation ou de variation de déplacement. L'erreur moyenne peut être facilement éliminée grâce à la compensation du contrôleur. Les erreurs intermédiaires et cycliques deviennent assez difficiles à éliminer. Une vis rectifiée de précision de classe C3 aura une erreur moyenne ou systématique de 8 μm et une erreur 2π de 6 μm. Avec des vis de précision inférieure, l'erreur 2π n'est pas signalée car elle est insignifiante par rapport à l'erreur moyenne. L'erreur moyenne "plomb" est indiquée pour toutes les vis à plomb de classe de positionnement.
Une vis-mère ou à billes peut être utilisée avec un codeur linéaire afin de renvoyer la position réelle au contrôleur. Cela élimine la nécessité d'une très grande précision dans la forme du filetage de la vis. Les capacités d'échelle et le réglage de la boucle de contrôle sont alors les facteurs limitant la précision linéaire.
Les moteurs linéaires régulent le mouvement en fonction du retour d'information d'un codeur linéaire ou d'un autre dispositif de détection de ce type. La précision et la résolution du dispositif de rétroaction limitent la précision du système, tout comme le réglage du système, un élément important dans toute application d'asservissement. Une zone morte est choisie pour le réglage, de sorte que lorsque le chariot atteint une position dans cette plage, il cesse de chasser. Cela réduit le temps de réglage mais diminue également la répétabilité et la résolution de l'appareil. Néanmoins, comme il n'y a pas d'éléments mécaniques intermédiaires pour introduire le jeu du système, le frottement, la déviation et autres, les moteurs linéaires sont capables de surpasser la précision d'un système à vis à billes ou à plomb.
Somme des parties
Pour déterminer la précision globale le long d'un axe de déplacement, les erreurs des dispositifs de guidage et de poussée doivent être combinées. Les erreurs de rotation sont converties en translation au point d'intérêt. Cette erreur peut ensuite être combinée avec d'autres erreurs de translation dans la même direction.
L'erreur d'abbé est calculée en multipliant la tangente de la variation totale de l'angle autour de l'axe de rotation par la distance de décalage. Pour chaque rotation, le décalage doit être pris dans le plan perpendiculaire à l'axe de rotation. La seule façon d'éliminer virtuellement l'erreur d'Abbé est de positionner le dispositif de rétroaction au point d'intérêt.
Une fois que les erreurs de translation du guide sont calculées dans chaque direction, elles peuvent être combinées avec l'erreur du dispositif de poussée, qui contribue à l'erreur le long de l'axe X uniquement, et l'erreur totale du système est quantifiée.
Si vous analysez un dispositif de mouvement linéaire à axe unique, vous pouvez simplement comparer les erreurs de translation pour chaque direction avec vos exigences de positionnement. Si un axe présente une erreur inacceptable, vous pouvez traiter les composantes d'erreur de cet axe une à une.
Si le système est multi-axes, avec plusieurs ensembles de mouvements linéaires, vous n'avez toujours qu'un seul point d'intérêt ; c'est le même pour chaque axe. L'axe le plus éloigné du point d'intérêt aura le plus grand potentiel d'erreur d'Abbé. Les erreurs de traduction de chaque étape peuvent être additionnées au point d'intérêt pour déterminer l'erreur totale du système. Cependant, il faut également tenir compte de l'orthogonalité entre les axes. Cela permet d'obtenir une traduction pure. Dans le cas d'une étape X-Y, par exemple, une inclinaison de l'axe Y par rapport à l'axe X produira une translation X supplémentaire au fur et à mesure que l'axe Y se déplace. Cela peut être déterminé par trigonométrie ou en mesurant directement le décalage. N'oubliez pas que, contrairement aux rotations, les translations sont indépendantes du décalage, c'est-à-dire de la distance au point d'intérêt. Vous pouvez ajouter le décalage d'orthogonalité directement à votre budget global d'erreurs.
Enfin, n'oubliez pas que le terme "exactitude" est utilisé assez librement et peut souvent être laissé ouvert à l'interprétation. Parfois, la spécification de précision citée ne tient compte que de la vis de positionnement. Ce type de représentation sommaire peut être trompeur. Par exemple, un concepteur pourrait penser à améliorer la précision du système en améliorant l'erreur moyenne de positionnement, alors que le problème est en fait fondé sur l'erreur d'Abbé. Ce n'est pas l'approche optimale. Il existe souvent une solution géométrique simple et économique, une fois la source de l'erreur identifiée.