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Conseils pour le choix de systèmes de positionnement linéaire de haute précision : 1ère partie

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Les industries de l'électronique, de l'optique, de l'informatique, de l'inspection, de l'automatisation et du laser requièrent diverses spécifications de systèmes de positionnement.

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Aucun système n'est adapté à tous.

Pour qu'un système de positionnement de haute précision fonctionne de manière optimale, les éléments qui le composent - roulements, système de mesure de la position, système de moteur et d'entraînement, et contrôleur - doivent tous fonctionner ensemble aussi bien que possible pour répondre aux critères de l'application.

Base et roulement

Pour décider de la configuration optimale du système, il faut d'abord considérer la partie mécanique du système. Pour les platines linéaires, voici les quatre choix courants de conception de la base et des roulements :

- Base et coulisse en aluminium avec voies à roulement à billes Bolton.

- Base en aluminium ou en acier et côté en aluminium ou en acier avec quatre blocs de roulements à recirculation sur des rails en acier.

- Base et glissière en fonte de Meehanite avec chemins de roulement à rouleaux intégrés.

- Guides en granit avec glissière en granit ou en fonte et roulements à air.

L'aluminium est plus léger que la méhanite ou l'acier mais il est moins rigide, moins stable, moins apte à encaisser les coups et moins résistant aux contraintes. En outre, l'aluminium est beaucoup plus sensible aux changements de température. La fonte est 150 % plus rigide que l'aluminium et 300 % meilleure en matière d'amortissement des vibrations. L'acier est durable et plus résistant que le fer. Cependant, il souffre d'un tintement prolongé, ce qui est préjudiciable aux temps de déplacement et d'installation rapides.

Les guides en granit avec paliers à air constituent la combinaison la plus rigide et la plus durable. Le granit peut être poli pour obtenir une planéité et une rectitude de l'ordre du submicron. L'inconvénient d'une table en granit est que, en raison de la masse du granit, elle occupe un espace plus important et pèse plus lourd qu'un système de positionnement en acier ou en fer. Cependant, comme il n'y a pas de contact entre les roulements et les surfaces de guidage en granit, il n'y a pas d'usure, et les roulements à air sont en grande partie autonettoyants. En outre, le granit présente d'excellentes caractéristiques d'amortissement des vibrations et de stabilité thermique.

En outre, la conception de la table elle-même est importante pour les performances globales de la table. Les tables sont disponibles dans une variété de configurations, allant d'unités boulonnées comprenant de nombreuses pièces à de simples bases et glissières moulées. L'utilisation d'un seul matériau pour l'ensemble de la table permet généralement une réponse plus uniforme aux variations de température, ce qui se traduit par un système plus précis. Des caractéristiques telles que les nervures assurent l'amortissement, ce qui permet un tassement rapide.

Les glissières intégrées présentent un avantage par rapport aux glissières boulonnées, car même après une longue période, il n'est pas nécessaire de régler la précharge des glissières.

Les roulements à rouleaux croisés ont un contact linéaire entre le rouleau et le chemin de roulement, alors que les roulements à billes ont un contact ponctuel entre la bille et le chemin de roulement. Il en résulte généralement un mouvement plus régulier pour les roulements à rouleaux. Il y a moins de déformation superficielle (et d'usure) sur la surface de roulement et la surface de contact est plus grande, de sorte que la charge est répartie plus uniformément. Des charges allant de 4,5 à 14 kg/rouleau sont standard, ainsi qu'une rigidité mécanique élevée d'environ 150 à 300 Newtons/micron. Les inconvénients incluent la friction inhérente au contact de la ligne.

Cependant, la petite surface de contact qui limite le frottement du roulement à billes limite également sa capacité de charge. Les roulements à rouleaux ont généralement une durée de vie plus longue que les roulements à billes. Cependant, les roulements à rouleaux coûtent plus cher.

Les dimensions standard des tables d'un fabricant comprennent une longueur de 25 à 1 800 mm et une largeur de glissement de 100 à 600 mm.

Une configuration de paliers à air consiste en des paliers de levage et de guidage préchargés par des paliers à air opposés ou par des aimants de terres rares à haute force intégrés dans les éléments de guidage. Cette conception sans contact évite le frottement des autres types de roulements. En outre, les paliers à air ne subissent aucune usure mécanique. En outre, les paliers à air peuvent être très espacés. Ainsi, les erreurs géométriques résultantes sont moyennées, produisant des déviations angulaires inférieures à 1 seconde d'arc et une rectitude meilleure que 0,25 micron sur 200 mm.

Les valeurs numériques sont difficiles à fournir - elles dépendent de nombreux facteurs. Par exemple, la précision du positionnement ne dépend pas seulement des roulements ou des guides, mais aussi du système de mesure de la position et du contrôleur. Le frottement dans un système de positionnement ne dépend pas seulement du système d'entraînement que vous avez choisi, mais aussi du réglage des roulements, de l'étanchéité de la table, de la lubrification, etc. Par conséquent, les valeurs exactes qui peuvent être atteintes dépendent beaucoup de la combinaison de tous les composants, qui à son tour dépend de l'application.

Système d'entraînement

Parmi les nombreux types de systèmes d'entraînement - courroie, crémaillère, vis-mère, vis à billes rectifiées et moteur linéaire - seuls les deux derniers sont envisagés pour la plupart des systèmes de positionnement de haute précision.

Les vis à billes sont disponibles dans une gamme de caractéristiques de résolution, de précision et de rigidité, et peuvent fournir des vitesses élevées (supérieures à 250 mm/sec). Cependant, comme l'entraînement par vis à billes est limité par la vitesse de rotation critique de la vis, une vitesse plus élevée nécessite un pas plus faible, avec un avantage mécanique moindre et un moteur plus puissant. Cela signifie généralement qu'il faut passer à un entraînement moteur plus puissant avec une tension de bus plus élevée. Les entraînements à vis à billes, bien que largement utilisés, peuvent également souffrir de jeu mécanique, d'enroulement, d'erreurs cycliques de pas et de friction. La rigidité de l'accouplement mécanique qui relie le moteur et l'entraînement est également négligée.

Avec le servomoteur linéaire, la force électromagnétique s'engage directement dans la masse en mouvement, sans connexion mécanique. Il n'y a pas d'hystérésis mécanique ni d'erreur cyclique de pas. La précision dépend entièrement du système de roulement et du système de contrôle par rétroaction.

La rigidité dynamique indique dans quelle mesure un système d'asservissement maintient sa position en réponse à une charge d'impulsion. En général, une bande passante plus large et un gain plus élevé offrent une plus grande rigidité dynamique. Celle-ci peut être quantifiée en divisant la charge impulsionnelle mesurée par la distance de déviation :

Rigidité dynamique = ΔF/ΔX

La rigidité élevée et la fréquence propre élevée se traduisent par un excellent comportement d'asservissement avec des temps d'établissement courts. Le chariot réagit rapidement aux commandes de changement de position car il n'y a pas de liaison mécanique entre le moteur et le chariot. De même, comme il n'y a pas de " sonnerie " de la vis à billes, des temps de déplacement et de stabilisation rapides peuvent être obtenus.

Un moteur linéaire sans balais se compose d'un ensemble d'aimants permanents fixé à la base de la machine et d'un ensemble de bobines fixé au chariot. Un espace d'environ 0,5 mm est maintenu entre l'ensemble de la bobine et les aimants. Il n'y a aucun contact physique entre les deux assemblages.

Le noyau de l'ensemble bobine mobile abrite une série de bobines de cuivre superposées et isolées. Ces bobines sont enroulées avec précision et réglées pour un fonctionnement triphasé. Une série de capteurs à effet Hall est utilisée pour la commutation électronique. La conception de l'électronique de commutation permet un mouvement avec une ondulation de force négligeable. La commutation étant électronique plutôt que mécanique, l'arc de commutation est éliminé.

Ces propriétés rendent un servomoteur linéaire utile dans les applications nécessitant une forte accélération (disons 2,5 m/sec2 ou plus), une vitesse élevée (disons 2 m/sec ou plus), ou un contrôle précis de la vitesse, même à très faible vitesse (disons seulement quelques mm/sec). De plus, un tel moteur ne nécessite aucune lubrification ou autre entretien et ne s'use pas. Comme pour tout autre moteur, en raison de la dissipation de la chaleur, la valeur efficace de la force ou du courant continu ne doit pas dépasser les valeurs admissibles pendant de longues périodes.

Vous pouvez obtenir des servomoteurs linéaires avec des forces d'entraînement continues de 25 à plus de 5 000 N. La plupart des moteurs de grande taille sont dotés d'un système de refroidissement par air ou par eau. Plusieurs moteurs linéaires peuvent être connectés en parallèle ou en série pour obtenir des forces d'entraînement plus élevées.

Comme il n'y a pas de liaison mécanique entre le moteur et le chariot, il n'y a pas de réduction mécanique comme c'est le cas avec une vis à billes. La charge est transférée au moteur dans un rapport de 1:1. Avec un entraînement par vis à billes, l'inertie de la charge sur le chariot vers le moteur est réduite par le carré du rapport de réduction. Cela rend l'entraînement par moteur linéaire moins adapté aux applications avec des changements de charge fréquents, à moins que vous ne choisissiez un contrôleur que vous pouvez programmer avec différents jeux de paramètres de contrôle du moteur correspondant à différentes charges pour obtenir une servocompensation efficace.

Pour de nombreuses applications verticales, une vis à billes est plus facile et plus rentable - le moteur linéaire doit être alimenté en permanence pour compenser la gravité. De plus, un frein électromécanique peut verrouiller la position de la table lorsque l'alimentation est coupée. Vous pouvez toutefois utiliser un moteur linéaire si vous compensez le poids du moteur et de la charge avec un ressort, un contrepoids ou un cylindre pneumatique.

En termes de coût initial, il y a peu de différence entre un entraînement par moteur linéaire et un entraînement par vis à billes qui comprend le moteur, les accouplements, les roulements, les blocs de roulements et la vis à billes. En général, un moteur linéaire à balais est légèrement moins cher qu'une vis à billes, et les versions sans balais sont généralement un peu plus chères.

Il y a plus à considérer que le coût initial. Une comparaison plus réaliste inclut la maintenance, la fiabilité, la durabilité et les coûts de remplacement, y compris la main-d'œuvre. Ici, le moteur linéaire fait bonne figure.

La deuxième partie traitera des systèmes de mesure de position.