{{{sourceTextContent.title}}}

Quand sous-traiter ? Sous-systèmes de mouvement prêts à l'emploi

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Mouvement linéaire et mouvement rotatif.

{{{sourceTextContent.description}}}

Construire des actionneurs de mouvement et des platines à partir de rien oblige les concepteurs à commander, stocker et assembler des centaines de pièces. Cela augmente également le délai de mise sur le marché et nécessite des techniciens et des équipements de production spécialisés. Une alternative consiste à commander des dispositifs de mouvement préconçus.

Les étages et les actionneurs ne sont souvent que des éléments de la nomenclature d'une machine. S'ils fournissent la force, la charge utile, le positionnement et la vitesse appropriés, les constructeurs de machines n'ont pas besoin de leur accorder une attention particulière. Mais les entreprises peuvent réellement améliorer leurs machines en utilisant des étages et des actionneurs préconçus.

Les platines préconçues telles que cet actionneur linéaire ServoBelt coûtent généralement 25 à 50 % moins cher que leurs homologues à base de composants, grâce à la réduction du nombre de pièces, notamment des supports et des connecteurs. Ils réduisent également les coûts liés à la conception et au maintien des stocks.

Les sous-systèmes de mouvement correctement préconçus s'intègrent dans un espace physique défini et sont reliés aux commandes de la machine. Ils acceptent généralement les commandes d'une interface informatique de haut niveau, d'une carte de commande ou d'un automate programmable. Les systèmes préconçus les plus simples ne comprennent guère plus qu'un actionneur et des connecteurs. Les étages préconçus complexes ajoutent des commandes et même des effecteurs finaux pour déplacer les charges utiles.

Les étages préconçus sont souvent plus performants que les systèmes construits en composants, car ils sont personnalisés. En revanche, de nombreux constructeurs de machines ne disposent pas des techniciens qualifiés, des montages, des interféromètres laser et autres équipements nécessaires pour aligner les platines (dont les tolérances d'alignement d'axe en axe se mesurent souvent en microns).

La stratégie de commande dicte une partie de la conception, de sorte que les platines préfabriquées ne suivent pas toujours les règles de conception traditionnelles. Tenez compte du décalage d'inertie. Une règle générale consiste à maintenir le rapport entre l'inertie de la charge utile et l'inertie du moteur en dessous de 20:1 afin d'éviter les problèmes lors de l'utilisation des préréglages de gain des combinaisons amplificateur-moteur prêtes à l'emploi. Mais de nombreuses platines préconçues ont des rapports de 200:1 (voire 4 500:1 sur les tables rotatives, par exemple) et effectuent toujours des mouvements précis sans dépassement. Dans ce cas, le fabricant modifie dynamiquement les gains de réglage de la platine et les valide par des tests physiques. Cela permet aux petits moteurs de faire le travail.

Les platines rotatives comme celle-ci sont généralement utilisées pour le positionnement, mais elles conviennent également aux machines CNC. Les machines qui utilisent le plus les platines préconçues sont les semi-conducteurs fusionnés, les bancs humides, la découpe laser, l'emballage et l'automatisation des laboratoires.

Les platines préconçues sont également fiables. Lors de la mise en service de nouveaux systèmes de mouvement, il arrive que des composants individuels, apparemment mineurs, ne fonctionnent pas correctement ensemble. Par exemple, un connecteur défectueux peut faire tomber toute une machine. Les platines préconçues sont assemblées et testées avant d'être installées dans les machines afin que cela ne se produise pas.

Exemple : Mouvement linéaire

Considérons une application dans laquelle un entraînement linéaire effectue deux mouvements différents. L'un est un long déplacement à 400 mm/sec, et l'autre est un déplacement rapide de 13 mm qui doit se stabiliser à 10 µm près de la position cible en 150 msec. La masse mobile est de 38 kg avec une précision bidirectionnelle cible de ±5 µm basée sur le retour d'un codeur linéaire optique de 1 µm.

Les platines traditionnelles à vis à billes X-Y ne sont pas assez précises, à moins que le constructeur n'opte pour des versions coûteuses sans jeu. Les moteurs linéaires sont une autre option, mais pour cette application, ils seraient volumineux et coûteux, car seule une longue bobine de moteur permettrait de répondre à l'exigence de 300 N de force continue. Une longue bobine nécessiterait également des modifications importantes de la conception globale, ce qui la rendrait 50 % plus coûteuse que les autres options.

Cette platine multiaxe préconçue basée sur des actionneurs linéaires ServoBelt est testée avant d'être ajoutée à une machine de fabrication de semi-conducteurs. La platine ne présente aucun jeu, ce qui permet au concepteur d'adapter les commandes aux exigences dynamiques. C'est utile car la seule façon d'effectuer des mouvements d'index rapides dans cette machine est de fermer les servoboucles à l'aide du codeur linéaire, ce qui nécessite une chaîne cinématique sans jeu entre le moteur et la charge utile.

En revanche, une platine préconçue basée sur des entraînements par courroie est rentable. Elle n'a pas besoin d'une commande à double boucle car elle peut se contenter d'une commande à simple boucle en utilisant uniquement le codeur linéaire. L'entraînement possède également un amortissement mécanique intrinsèquement élevé, ce qui permet aux commandes d'avoir des gains de réglage élevés (jusqu'à quatre fois les gains de vitesse et de position) pour des temps d'établissement courts. En revanche, les moteurs linéaires doivent simuler l'amortissement dans l'électronique du servoamplificateur, ce qui réduit le gain positionnel possible.

Exemple : Mouvement rotatif

Prenons une autre application : une fraiseuse de bureau CNC à trois axes. Ces machines utilisent généralement des systèmes à mouvement linéaire pour positionner l'outil de coupe. En revanche, une platine préconçue combine le positionnement rotatif et linéaire. Ici, deux dispositifs rotatifs entraînés par courroie supportent des charges sur des roulements rotatifs de grand diamètre et se font face. L'un porte une broche pneumatique de 150 000 tr/min. L'autre tient la pièce à usiner et la fait tourner de 180° afin que l'outil de coupe puisse atteindre n'importe quel point de la surface de la pièce dans un volume de 40 × 40 × 40 mm.

Cette fraiseuse CNC utilise une platine préconçue qui n'est pas plus complexe qu'elle ne doit l'être. L'application nécessite une bonne finition de surface plutôt qu'une précision de positionnement. Elle renonce donc aux encodeurs et fonctionne en boucle ouverte (ce qui permet d'économiser des milliers de dollars par machine).

Un actionneur linéaire à vis entraîne l'axe linéaire mais laisse le dispositif rotatif avec les têtes de coupe se déplacer axialement par rapport au dispositif qui tient la pièce à usiner. Les trois dispositifs se déplacent de manière synchronisée. L'axe linéaire gère le positionnement sur l'axe Z et amène l'outil de coupe sur la face de la pièce.

La conception rotative est rigide, ce qui permet de respecter les tolérances d'usinage. Une option de lubrification à vie réduit le risque de contamination, et les effecteurs des deux étages rotatifs s'étendent à travers des joints rotatifs simples dans une paroi de la chambre de coupe. Les joints protègent les pièces internes du liquide de coupe et de la poussière de céramique volante. En revanche, les étages X-Y-Z nécessitent des soufflets encombrants et des couvercles en forme de tatou.

Le positionnement rotatif de l'outil de coupe et de la pièce à usiner utilise des coordonnées polaires, et non cartésiennes (comme c'est généralement le cas en cinématique CNC). Le contrôleur reçoit des commandes en code G X-Y-Z et les convertit en coordonnées polaires en temps réel. L'avantage ? Le mouvement rotatif est meilleur que le mouvement linéaire pour créer des finitions de surface lisses, car même les meilleurs roulements linéaires et vis à billes "grondent" lorsque les billes entrent et sortent de leur état de charge. Ce grondement se répercute sur le système de mouvement et peut se manifester sur les pièces par des variations périodiques de la qualité de surface.